Спросить
Войти
Abstract
It is shown that the prediction of the kinetics of impregnation process oriented and woven fibrous fillers epoxy binder solution is based primarily on an analysis of the structure of fibrous fillers. In this case, the capillary structure of fibrous fillers should include the most important factors that affect the speed and completeness of the impregnation process, after impregnating fluid flow in these materials is a process, which is mainly governed by laws of capillarity and viscosity. It is shown that in general the capillary structure of any fibrous material consists of material microstructure fiber from which it is made, as well as macro-fiber material, the diameter of the capillaries of the two structures is a completely different order. Are analyzed that the penetration depth of the liquid in the impregnation of capillaries in individual fibers, especially for those short periods during which there is a treatment, there can be significant. Therefore infinitely more practical importance is the penetration of impregnating fluid in the space between the fibers (interfiber space or penetration) or filaments of fibrous material. Describes an effective approach to the selection of an adequate physical model of capillary-porous bodies in the technology of construction of the oriented fiber composites. This physical model is then used for the determination of refined mathematical model of the process of impregnation of fibrous fillers epoxy bonding using conventional filtration theory of laminar flow of viscous non-Newtonian fluid which is not compressed.
-□ □В данш статтi було запропонованао та вико-ристано новий високочутливий поляризацшно-модуляцшний метод спектрометра. СпоЫб поляризацшно-модуляцшшп спектрометра дозволяв з високою чутливютю вимiрювати локальт мехатчт напруження в деталях и оптично прозорих матерiалiв, а використання вiдбитого сонячного випромшювання дозволяв контролювати внутршт напруження в листовому склi великих габаритiв
Ключовi слова: внутршш напруження, поляризацшно-модуляцшний метод,
монокристалхчний сапфiр
В данной статье был предложен и использован новый высокочувствительный поляри-зационно-модуляционный метод спектрометрии. Способ поляризационно-модуляционной спектрометрии позволяет с высокой чувствительностью измерять локальные механические напряжения в деталях из оптически прозрачных материалов, а использование отраженного солнечного излучения позволяет контролировать внутренние напряжения в листовом стекле больших габаритов
НОВ1 СПОСОБИ ПОЛЯРИЗАЦ1ЙНОГО КОНТРОЛЮ ВНУТР1ШН1Х НАПРУЖЕНЬ В ДЕТАЛЯХ З ОПТИЧНО ПРОЗОРИХ МАТЕР1АЛ1В
В. П. Маслов
Доктор техычних наук, професор Кафедра наукових, анал^ичних та еколопчних
приладiв i систем Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни "КиТвський пол^ехычний шститут" пр. Перемоги,37, м. КиТв, УкраТна, 03056 Контактний тел.: (044) 525-05-55 E-mail: vladmaslov@mail.ru
Вщомо, що в сучасних приладах широко використовуеться такий унжальний матерiал як сапфiр. На прикладi деталей i3 сапфiру показано можлив^ть вимiрювання внутршшх напружень за допомогою поляризацшних методiв контролю. Висо-ка стшюсть до мехатчних, хiмiчних i температурних впливiв, хороша прозоркть в оптичному дiапазонi вщ
ультрафюлетового до шфрачервоного випромшювання, яка властива матерiалу, дають можливють виготовля-ти сапфiровi вжна та лшзи для оптичних приладiв. Деталi iз сапфiру використовують в термоядерних установках при дiагностицi термоядерно! плазми та аналiзi стану поверхш розрядних плазмових камер [1], а також в космiчнiй техншд - для виведення лазерного випромшювання в космiчний проспр i в системах зв&язку космiчних апарапв. Висою електроiзолюючi
властивост сапфiру посприяли також успiшному його використанню в мiкроелектронiцi як матерГал-пщкладка для структур «кремнш на сапфiрi» (КНС), а в останнш час - для виготовлення на сапфiрових п1дкладках випромiнюючих свiтлодiодiв [2].
При вирощувант зливкiв монокристалiчного сап-фiру у ньому виникають дефекти у виглядi мжро-бульбашок, границь блокгв та механiчнi напруження, яю суттево впливають на його властивостГ Проблему контролю якостi сапфiрових структур виршують ба-гатьма способами, але вони не достатньо чутливi для потреб сучасно! фiзики або складш у використаннi (рентгенiвськi методи). Традицшний контроль вну-трiшнiх механiчних напружень здшснюють вiзуально на полярископi-поляриметрi ПКС-250, в основу якого покладений метод подвшного променезаломлення Се-нармона [3], проте техшчш можливостi цього тради-цiйного методу не дозволяють виконувати кшьюсний контроль якостi зразкiв монокристалiв сапфiру з мiкро-напруженнями. Тому актуальною задачею сучасного приладобудування е розроблення нових методiв тех-шчно! дiагностики та неруйнiвного контролю якосп деталей iз оптично прозорих матерiалiв.
В робоп [4] досл гджувалась можливГсть використан-ня методу поляризацiйно - модуляцшно! спектрометр!! для вирiшення поставлено! задач! Цей метод був у свш час детально досл1джений та узагальнений в монографГ! [5]. Вс модуляцiйнi методи поеднуе одна i та ж сама функцiональна риса, що полягае у фiзичному диференщюванш вщповщно! функцюнально! характеристики того чи шшого явища. Потреба у такш процедурi продиктована необхiднiстю подолання трудношДв, що виникають при аналiзi слабко вира-жених особливостей дослщжувано! характеристики, чи при наявностi у нГй постшно! складово! - «фона». Тому процедура диференщювання функцiональних залежностей, що виконана на фiзичному рiвнi, а не на етапi математично! обробки експериментальних результатiв, е достовiрним та додатковим, а деколи i новим високочутливим джерелом шформацп про властивостГ досл1джуваного об&екта.
Однак така характеристика випромшювання як стан поляризацп, мае з точки зору диференщально! спектроскоп!! суттеву вiдмiннiсть в1д шших способiв модуляцп. Вона полягае, перш за все, у тому, що поляризацГя, як просторова характеристика хвилГ, виражаеться сукупшстю значень - компонентами вектора Максвела-Джонса або вектора Стокса. Таким чином, на вщмшу вгд модуляцш Гнших ФГзичних величин, що оперують з единим параметром, поляризацшна модуляц1я (ПМ) характеризуеться двомГрним впли-вом на хвилю. Ця, несуттева на перший погляд, об-ставина значно ускладнюе як технiку експеримен-ту, так г штерпретащю отриманих за допомогою ПМ результатГв. Частково у цьому Г полягае причина того, що в перюд всезагального розповсюджен-ня диференцшних методГв, коли практично у всГх фГзичних науково-дослГдних лабораторГях розвивалися модуляцГйнГ методики з використанням рГзноманГтних фГзичних величин, ПМ залишалася поза увагою. На
рис. 1 показана найбГльш ефективна конструкцГя модулятора поляризацп, в якому використаний один Гз самих надшних способГв одержання нероз&емних безклейових з&еднань оптичних елементГв, а саме гли-бокий оптичний контакт (ГОК), який заснований на силах молекулярного зчеплення комплектуючих по-верхонь [6].
Рис. 1. Модулятор поляризацп оптичного випромшювання: 1 — п&езорезонатор (кристалiчний кварц); 2 — динамiчна фазова пластинка. Азимут електричного поля хвил^ що модулюеться, становить 450 вiдносно напрямку акустичноТ хвилi стискання-розтягування
Проведенi попереднi дослщження [4] показали перспективнiсть полярзацiйно - модуляцшного метода визначення розподiлу мжронапружень у прецизiйних BiKHax i3 сапфiру, але в цiй po6oTi не були визначеш абсолютнi значення локальних мжронапружень в дослщжуваних зразках.
В результат проведено! роботи [4] розроблено методику отримання абсолютних значень внутршшх механiчних напружень з допомогою використання по-ляризацiйно-модуляцiйно! спектроскоп!!. Чутливкть методики в1д iнтенсивностi лазера i товщини зразка визначаеться спiввiдношенням:
Висока чутливкть методу, яка досягае показника в 0,001 Па, дозволила пояснити причину невщповщносп дослщжених зразкiв вимогам лазерних систем, а саме: на змшу геометрГ! фронту лазерного випромшювання, яке пройшло через данГ вжна, впливае величина i не-рГвномГртсть розподГлу внутрГшнГх мiкронапружень по площиш цих вГкон.
На рис. 2 наведено результати дослщжень одного Гз зразюв сапфiру. Всього для дослщжень було викорис-тано п&ять сапфiрових вГкон (дiаметр 62 мм, товщина 5 мм), якГ були надат ФГрмою «Impex Hightech GmbH» (Шмеччина). На рисунку бачимо, що зразки сапфiру мають неоднор1дну внутрГшню структуру розподГлу мжронапружень.
Рис. 2. Результати дослщжень промислового зразка №3, ям змодельоваж з допомогою програмного пакету MatLab
З допомогою використання запропоновано! методики визначили максимальну (стиснення) i мтмальну (розтягнення) величину абсолютного значення вну-трiшнiх механiчних напружень, якi наведет в табл. 1. Проаналiзувавши результати дослщжень, бачимо, що нерiвномiрнiсть у використаних зразках сапфiрових вiкон досягае 1 Па.
Таблиця 1
Максимальн (стиснення) та м1н1мальн1 (розтягнення) значення внутршшх механ1чних напружень в оптичних сапф1рових в1кнах
Поляризацiййно-модуляцiйний спосiб дозволяе та-кож контролювати розподiл внутршшх напружень, що виникають при з&еднанш прецизiйних деталей (рис. 3) i оптимiзувати технологiю з&еднання.
О ■ ! _|_ 4
Рис. 3. Розпод1л напружень у зразку склокерам1ки, л1н1я сканування паралельна площин1 з&еднувального шва
Вщомий полярископ-поляриметр ПКС-250 дозволяе проводити контроль внутршшх напружень в прозорих деталях, розмiр яких не перевищуе 250 мм. Для виршення проблеми контролю великогабаритних деталей типу лис™ загартованого скла запропоновано використовувати споаб контролю мехашчних напружень в оптичних матерiалах [5].
Задачею запропонованого способу е реалiзацiя можливостi простого, мобшьного контролю великогабаритних зразкiв у виробничих умовах. Поставлена задача досягаеться тим, що у вщомому оптичному способi контролю мехашчних напружень в оптичних матерiалах, який полягае в освггленш дослщжуваного зразка поляризованим свгглом з наступною оброб-кою шформацп з використанням аналiзатора, який
вiдрiзняеться тим, що як аналiзатор використовуються поляризацшш окуляри, а аналiз шформацп проводить безпосередньо оператор вiзуально. При цьому як дже-рело поляризованого свггла може бути використане вщбите сонячне свiтло.
При необхiдностi документацп, вiзуальна шформа-цiя може бути сфотографована на цифрову камеру з поляризацшним фшьтром.
На рис. 4 показана фотографiя загартованого скла, сфотографоване на цифрову камеру ОНшрш з поляризацшним фшьтром.
Рис. 4. Зображення загартованого листового скла 500х500х5 мм
Можна побачити напруження, що виникло в насль док локального обдуву форсунками при загартуванш нагрггого скла.
Через те, що наявнють та штенсивнють сонячного свiтла залежить вiд погодних умов, виникла необ-хiднiсть розроблення великогабаритних енергозберь гаючих джерел поляризованого св^ла. В результатi проведених дослщжень було запропоновано [6] використання в якост джерела поляризованого свггла рiдкокристалiчного дисплею.
Рис. 5. Поляризац1я випром1нювання дисплейного екрану (верхн1й анал1затор в положенн1 пропускання, нижн1й в положены «вимкнення»)
№ § тах+ (сгиснення) § тах-(розтягнення)
Sample №1 855 Па - 480 Па
Sample №2 900 Па - 500 Па
Sample №3 500 Па - 520 Па
Sample №4 460 Па - 415 Па
Sample №5 900 Па - 580 Па
На рис. 5 показано, що дисплейний екран комп&ютера мае надшний поляризацшний ефект, тому, що два од-накових пл1вкових анал1затора показують дш крайн1 позицп - повне пропускання свггла та його «вимикання».
спектрометра дозволяе з високою чутлив1стю
вим1рювати локальн1 механ1чн1 напруження в деталях 1з оптично прозорих матер1ал1в.
Лиература
Abstract
The article deals with the problem of the new ways of polarization control of internal stresses in the optically transparent materials details.
During the process of growing, the optically transparent materials, such as mono-crystal sapphire ingots, may obtain some defects, e.g. micro-bubbles or the grain boundaries, as well as the mechanical stresses that affect their properties significantly.
The aim of this work was to study the new ways to control the polarization of the internal stresses in the optically transparent materials details. In order to implement this task we used a new highly polarized - modulation spectrometry method. This method allows us to measure the local mechanical stresses in the optically transparent materials details with high sensitivity, and the usage of the reflected sunlight enables to control the internal stresses in the sheet glass of a large size. As such, the usage of the LCD as a source of light polarization was introduced for the first time. The point is that the intensity of sunlight depends on the weather conditions, and that factor affects the results of the research
