УДК 539.4:538.3
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ
КОМПОЗИЦИОННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Т.В. Фурса, В.А. Асанов, A.B. Савельев
Предложен и экспериментально обоснован способ повышения точности неразруша-ющего электромагнитного метода определения прочности материалов. Предложен новый метод определения величины и знака эффективного поверхностного заряда в диэлектриках по параметрам электромагнитного отклика на их ударное возбуждение.
Проведенными ранее исследованиями показано, что явление механо-электрических преобразований может быть использовано для определения механической прочности и твердости диэлектрических композиционных материалов. В частности, в качестве электромагнитного критерия определения механической прочности используется обобщенный амплитудно-частотный параметр [1], а твердость материалов определяется по длительности переднего фронта электромагнитного отклика [2].
Однако иногда при определении прочности и твердости с использованием явления механоэлектрических преобразований возникают значительные погрешности. Чтобы повысить точность неразрушающего электромагнитного метода контроля прочности композиционных материалов, были рассмотрены основные электрические явления, сопровождающие процесс механоэлектрических преобразований в композиционных материалах. Исследования показали, что процесс механоэлектрических преобразований при ударном возбуждении диэлектрических композиционных материалов протекает в два этапа: первый — электризация материала в точке удара и второй — механоэлектрические преобразования на границе раздела матрицы и заполнителя [1]. Кроме того, при ударном возбуждении некоторых материалов в электромагнитном отклике наблюдается наличие медленно изменяющегося переднего фронта, которое может быть связано с изменением дипольного момента при приближении бойка к поверхности образца, имеющего случайный поверхностный или объемный заряд [2]. В некоторых случаях эта составляющая может быть довольно значительной и приводить к изменению амплитудно-частотных характеристик электромагнитного отклика, которые используются в качестве критерия для осуществления неразрушающего контроля прочности.
Задачей данной работы является исследование влияния величины и знака нескомпенсированного заряда в диэлектрических материалах на параметры электромагнитного отклика, возникающего при их ударном возбуждении, и разработке методики исключения этой составляющей, которая для целей неразрушающего контроля прочности является помехой.
Для исследования был использован ряд диэлектрических материалов, имеющих различный тип структурных неоднородностей, в частности, монокристаллы LiF, природный минерал кальцит, мелкозернистая силикатная керамика, пористая строительная керамика на глинистой основе, модели двухкомпонентных композиционных материалов на основе алебастра и тяжелый бетон.
Вначале производилось определение знака и величины плотности эффективного поверхностного заряда в материалах с помощью методики вибрирующего электрода компенсационным методом [3]. На рис. 1 приведена электрическая схема прибора для измерения величины эффективного поверхностного заряда. Электрический заряд диэлектрика опреде-
ляется по величине напряженности электрического поля, создаваемого образцом в воздушном зазоре между его поверхностью и вибрирующим электродом. Величина плотности эффективного поверхностного заряда определяется по формуле
ст = -г.
/ л
I
/ , \ 1-е—
4
где е0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость; е — диэлектрическая проницаемость образца; с!] — толщина образца; с12 — величина воздушного зазора; К — коэффициент преобразования", определяемый в процессе калибровки; I — ток, измеряемый с помощью микроамперметра.
-СЭ-рСЗ-"Йс
Рис. 1. Электрическая схема прибора для измерения величины плотности эффективного поверхностного заряда:
/ — вибрирующий измерительный электрод; 2 — охранное кольцо; 3 — воздушный зазор с/2; 4 — диэлектрик <Л; 5 — потенциальный электрод.
К
Установлено, что величина и знак регистрируемого заряда в различных материалах существенным образом отличаются. В частности, эффективная поверхностная плотность заряда имеет в монокристаллах ЫБ величину порядка 10~п Кл/см2, в кальците порядка Ю-12 Кл/см2, в мелкозернистой и пористой керамике порядка Ю-'* Кл/см2, а в тяжелых бетонах <10"|:1 Кл/см2. Знак заряда в различных образцах из этого ряда материалов бывает как положительным, так и отрицательным.
Затем эти же образцы подвергались ударному возбуждению и с помощью специального прибора производилось измерение электромагнитного отклика на произведенное возбуждение.
Для приема электромагнитных сигналов используется емкостной датчик, обеспечивающий прием электрической составляющей поля. Прибор позволяет производить измерения параметров электромагнитных сигналов с выводом информации на ЭВМ. В приборе сигнал усиливается в полосе частот от 1 до 500 кГц. После усиления сигналы оцифровываются с определенным шагом дискретизации, который может регулироваться в широком диапазоне (от 0,5 до 60 мкс), в данном случае он составлял 8 мкс.
Эксперимент по регистрации электромагнитного отклика на ударное возбуждение проводился следующим образом. По верхней поверхности образца производился удар с помощью стального шарика диаметром 3 мм, который во всех экспериментах бросали с одинаковой высоты, равной 0,95 м. Приемный емкостный датчик непосредственно крепился на
боковую поверхность образца. В момент бросания шарика производился запуск прибора и регистрировался электромагнитный отклик.
В результате проведенных исследований установлено, что в зависимости от знака и величины эффективного поверхностного заряда происходит изменение формы электромагнитного отклика. На рис. 2 приведены типичные формы электромагнитных откликов, зарегистрированных при ударном возбуждении различных материалов. Видно, что имеются различия как в характере изменения переднего фронта электромагнитного отклика, так и в форме сигнала в целом. В частности, в гомогенных материалах, таких как 1лР, электромагнитный отклик имеет более простую форму, нежели в гетерогенных материалах.
Рассмотрим основные этапы механоэлектрических преобразований в материалах на примере электромагнитного отклика из образца кальцита (рис. 2в). Медленное нарастание переднего фронта электромагнитного отклика нами связывается с изменением дипольного момента при приближении металлического шарика к поверхности образца, имеющего избыточный поверхностный заряд [2]. Время г, и амплитуда этого этапа электромагнитного отклика зависят от величины поверхностного заряда. Далее металлический шарик вдавливается в образец, то есть происходит возникновение электромагнитного отклика за счет трибоэлектриче-ского эффекта [1]. Время определяет активный этап удара и при неизменной силе удара отражает поверхностную твердость материала [4]. Затем идет процесс разгрузки — пассивный этап удара гу Контактная сила при этом уменьшается и как только становится равной нулю, происходит нарушение контакта. А затем идет процесс отскока шарика и наблюдается практически зеркально отображенный затянутый передний фронт ?4. Дальнейшая картина электромагнитного отклика определяется акустическим возбуждением заряженной поверхности и двойных электрических слоев внутри материала.
Если затянутый передний фронт связан с наличием на поверхности материала поверхностного заряда, то в зависимости от знака избыточного заряда, имеющегося в образце, должна изменяться полярность переднего фронта электромагнитного отклика. В частности, на рис. 2 приведены типичные электромагнитные отклики, зарегистрированные при ударном возбуждении образцов, имеющих заряд разного знака. Из рисунка видно, что в образцах, имеющих положительный заряд (рис. 26), передний фронт электромагнитного отклика имеет положительную полярность, а при изменении знака заряда на противоположный меняется и полярность электромагнитного сигнала (рис. 2а, в). Следовательно, наши представления об источнике возникновения в электромагнитном отклике затянутого переднего фронта, связанного с наличием в образце не-скомпенсированного электрического заряда, можно считать справедливыми.
Кроме того, было проведено испытание образцов, в которых путем натирания изменялись как величина, так (в некоторых случаях) и знак заряда. На рис. 3 приведены электромагнитные отклики из образца ЫР, в котором в исходном состоянии имелся положительный заряд, плотность которого равнялась 1,8-10-11 Кл/см2 (рис. За), а после натирания поверхности образца фетром знак заряда изменился и величина его стала равной 5,2-Ю-" Кл/см2 (рис. 36). Полярность переднего фронта электромагнитного сигнала сменилась в соответствии с изменением знака заряда с отрицательной (а) на положительную (б) и амплитуда переднего фронта возросла практически пропорционально увеличению заряда. Кроме того, при электризации трением образцов наряду с нарастанием передней затянутой части электромагнитного отклика возрастает амплитуда всего от-
клика в целом. Если при натирании не происходит изменения знака заряда, то и не меняется полярность переднего фронта электромагнитного отклика, а изменяется только его амплитуда.
Время, мс
Время, мс
Рис. 2. Типичные формы электромагнитных откликов из образцов:
а — монокристаллов 6 — строительной керамики, состоящей из глинистой основы и включений в виде зольной фазы; в — монокристаллов природного кальцита; г — тяжелого бетона; л — время, в течение которого регистрируется электрический сигнал за счет изменения дипольного момента при приближении стального шарика к заряженной поверхности образца; /2 — время активного этапа удара; /3 — время пассивного этапа удара; 1А — время, в течение которого регистрируется электрический сигнал за счет удаления шарика от заряженной поверхности.
Следует отметить, что использование данной методики для определения величины и знака заряда в материалах имеет свои ограничения. На-
пример, при величине заряда плотностью <10~13 Кл/см2 в электромагнитном отклике практически отсутствует затянутый передний
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.