Некоторые аспекты автоматизированных исследований фазовых превращений полимерных материалов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Буторин Д. В., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В. Некоторые аспекты автоматизированных исследований фазовых превращений полимерных материалов // Молодой ученый. — 2015. — №1. — С. 57-60. — URL https://moluch.ru/archive/81/14694/ (дата обращения: 18.10.2018).

В статье определена актуальность исследований фазовых превращений полимеров методом обработки токами высокой частоты.

Ключевые слова: фазовые превращения, полимеры, ВЧ-обработка, токи высокой частоты

 

На сегодняшний день особый интерес уделяется изучению свойств полимерных материалов, что объясняется их обширным внедрением в различные отрасли промышленности.

В последние годы усиленными темпами происходит замена ответственных металлоконструкций деталями из полимерных материалов. Это связано со следующими основными факторами:

-        снижение энерго- и трудоёмкости изготовления;

-        возможность их эксплуатации в агрессивных средах;

-        дешевизна полимерных материалов.

Вышесказанное показывает актуальность исследовательских работ по дальнейшему совершенствованию процесса производства, хранения и эксплуатации изделий из полимерных материалов.

Решение данной проблемы осложнено отсутствием универсальной методики исследования свойств полимеров в зависимости от изменения температуры среды.

Фазовые переходы, сопровождающиеся изменением структуры материала, для современных конструкционных материалов на сегодняшний день не достаточно полно изучены.

Известно, что полимеры могут находиться в нескольких фазовых состояниях (см. рис.1): кристаллическое, жидкокристаллическое, аморфное (жидкое), газообразное.

Рис. 1. Схема физических состояний и фазовых переходов полимеров

 

Эренфест даёт следующую классификацию переходов [1, 3]: фазовые переходы первого и второго рода.

Такие фазовые переходы, как кипение, плавление или возгонка, сопровождаются скачкообразными изменениями внутренней энергии и объёма, т. е. поглощением или выделением скрытого тепла перехода, которые в свою очередь являются первыми производными от свободной энергии по температуре и давлению. Такие превращения были названы фазовыми переходами первого рода. Они характеризуются бесконечно большим возрастанием теплоёмкости в очень узкой области точки перехода, а причина этого состоит в том, что добавление теплоты к системе в точке фазового перехода не повышает температуру системы, а расходуется на перестройку системы.

При переходах второго рода внутренняя энергия вещества и его объём не изменяются в точке перехода и, следовательно, не происходит выделения или поглощение скрытой теплоты. Однако, свободная энергия системы при фазовых переходах второго рода имеет некоторую особенность, которая проявляется в том, что вторые производные (теплоёмкость и сжимаемость) становятся бесконечными.

Согласно теории Л. Д. Ландау, при фазовых переходах первого рода функция распределения по энергии или плотности системы должна быть бимодальной, т. е. иметь два максимума. При фазовых переходах второго рода функция распределения всегда имеет только один максимум, который расширяется в точке перехода.

В последние десятилетия было обнаружено, что молекулы полимеров способны совершать необычные фазовые превращения. Их необычность состоит в том, что они обладают характерными чертами фазовых переходов первого и второго рода одновременно. В качестве примера можно использовать модель “липкой ленты”, подробно рассмотренной в работе [1, 4].

Анализ представленного литературного обзора показывает, что современные полимерные материалы не всегда подчинены разработанным ранее теориям фазовых переходов, что вызвало необходимость проведения дополнительных экспериментальных исследований.

Для исследования фазовых переходов авторами был использован амперометрический способ, который заключается в последовательном линейном нагреве полимерного образца до температуры плавления с периодической подачей на него высокочастотной энергии. В результате момент фазового перехода можно определить по состоянию анодного тока в момент включения высокочастотного генератора. Данная установка была оснащена датчиком перемещения (точность измерения 0,01 мм), фиксирующим тепловое расширение образца в зависимости от изменения температуры. С этой целью с обрабатываемого образца была снята прессовая нагрузка.

Разработана схема исследования фазовых превращений на базе оборудования УЗП 2500 (см. рис.2).

Рис. 2. Схема экспериментальной установки по исследованию фазовых превращений полимеров

 

1 — образец; 2 — электроды рабочего конденсатора; 3 — ВЧ-генератор; 4 — приспособление для нагрева образца; 5 — электронагревательный элемент; 6 — термопара; 6–1 — термопара-термометр; 7 — защитный экран; 7–1 — амперметр (линейный датчик с выходом по напряжению); 8 — вычислительный блок; 9–1 — микрометр (фиксирует тепловое расширение образца)

Принцип работы данной установки описан в работе [2].

В качестве вычислительного блока был использован микроконтроллер Arduino Nano Atmega 328, алгоритм работы которого представлен на рис.3.

 

Рис. 3. Алгоритм исследования фазовых превращений

 

Результат исследования фазовых превращений представлен на рис. 4.

 

Анализ полученных в настоящем исследовании данных показывает, что при нагреве полимерного образца происходят показательные изменения анодного тока, идентифицированные авторами как фазовые переходы первого рода (переход № 1–7, см. рис. 4). Анализ показаний датчика перемещения подтверждает возможность контроля фазовых переходов экспериментальной установкой, разработанной авторами.

В результате проведённых научных и экспериментальных исследований авторами были созданы методики выявления фазовых переходов в полимерных материалах. Разработанная и реализованная экспериментальная установка с алгоритмом управления автоматизированной системой научных исследований позволила идентифицировать электрофизические и механические параметры исследуемых материалов как фазовые превращения в материале.

Фазовые переходы второго рода в структуре полимера и методы их выявления — это цель дальнейших исследований.

 

Литература:

 

1.                  Скворцов А. М., Обычные и необычные фазовые переходы.; — С-П.: Соросовский образовательный журнал, № 8, 1996. С. 103–108.

2.                  Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В., Буторин Д. В. Автоматизация процесса контроля фазовых состояний полимерных материалов в поле высокой частоты/ Ю. Ф. Мухопад // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте. — Иркутск: ИрГУПС. — 2014.

3.                  Тагер А. А. Физико-химия полимеров. Издание 4-е. переработанное и дополненное. — М.: Научный мир. 2007.-506 с.

4.                  Гросберг А. Ю., Хохлов А. Р. Физика в мире полимеров. Библиотечка “Квант”. — М.: Наука, 1989.

Основные термины (генерируются автоматически): фазовый переход первого рода, материал, переход, фазовый переход второго рода, анодный ток, функция распределения, фазовый переход первого, фазовый переход, фазовое превращение полимеров, тепловое расширение образца, превращение, полимерный образец, вычислительный блок, высокая частота, экспериментальная установка.


Ключевые слова

ВЧ-обработка, токи высокой частоты, фазовые превращения, полимеры

Похожие статьи

Фазовые превращения парацетамола при термическом...

Показано, что фазовый переход пар−кристалл является ступенчатым: сначала происходит переход первого рода с изменением объема, затем переход второго рода с изменением упорядоченности.

Термодинамическая теория спонтанных спин-переориентационных...

Следовательно, в рамках данного приближения ориентационные переходы одной магнитной фазы в другую в кубических магнетиках при Н = 0 всегда происходят скачком, то есть всегда являются фазовыми переходами I — ого рода.

Метод неразрушающего теплового контроля твердофазных...

Практическое использование полимерных материалов (ПМ) невозможно без глубокого изучения суперпозиций их состояний и переходов. Информация о структурных переходах в полимерах необходима, прежде всего...

Снижение шумов на термограмме при определении структурных...

Если в исследуемом изделии происходит структурный твердофазный переход, сопровождающийся тепловым эффектом, то значения текущих

Алгоритм качественного анализа структуры и свойств материалов в области структурно-фазовых переходов.

Исследование кинетики фазообразования в сегнетоэлектрических...

Описанию фазовых переходов в пленках ТБС посвящено меньшее количество работ, но данный материал в последнее время

сегнетоэлектрические пленки, цирконат-титанат свинца, титанат бария-стронция, фазовый переход первого рода, зародышеобразование.

Модель с распределенными параметрами для описания динамики...

5) теплота фазового перехода (кристаллизации соли) в растворе равна нулю

2) расчет «конечного» состояния, соответствующего изменившемуся распределению температур (см. выше).

Сопряжённый теплообмен при движении вязкой несжимаемой...

Условия неразрывности тепловых потоков и непротекания заданы на линии симметрии ( ).

Решена система уравнений Навье-Стокса в переменных функция тока-вихрь, урав-нение

Тепломассообмен при химических превращениях. Тр. Второй Рос. нац. конф. по теплообмену.

Структурные и магнитные фазовые переходы при высоких...

Важнейшей мотивацией для изучения манганитов с общей формулой (А – редкоземельный, В – щелочно-земельный элементы) являются их богатые магнитные и структурные фазовые диаграммы.

Зависимость структурно-механических характеристик парафинов...

Модификацинного фазового перехода t2. Нефтяные парафины марки

3. Модификационный фазовый переход в твёрдом состоянии сопровождается значительным увеличением прочности.

Фазовые превращения парацетамола при термическом...

Показано, что фазовый переход пар−кристалл является ступенчатым: сначала происходит переход первого рода с изменением объема, затем переход второго рода с изменением упорядоченности.

Термодинамическая теория спонтанных спин-переориентационных...

Следовательно, в рамках данного приближения ориентационные переходы одной магнитной фазы в другую в кубических магнетиках при Н = 0 всегда происходят скачком, то есть всегда являются фазовыми переходами I — ого рода.

Метод неразрушающего теплового контроля твердофазных...

Практическое использование полимерных материалов (ПМ) невозможно без глубокого изучения суперпозиций их состояний и переходов. Информация о структурных переходах в полимерах необходима, прежде всего...

Снижение шумов на термограмме при определении структурных...

Если в исследуемом изделии происходит структурный твердофазный переход, сопровождающийся тепловым эффектом, то значения текущих

Алгоритм качественного анализа структуры и свойств материалов в области структурно-фазовых переходов.

Исследование кинетики фазообразования в сегнетоэлектрических...

Описанию фазовых переходов в пленках ТБС посвящено меньшее количество работ, но данный материал в последнее время

сегнетоэлектрические пленки, цирконат-титанат свинца, титанат бария-стронция, фазовый переход первого рода, зародышеобразование.

Модель с распределенными параметрами для описания динамики...

5) теплота фазового перехода (кристаллизации соли) в растворе равна нулю

2) расчет «конечного» состояния, соответствующего изменившемуся распределению температур (см. выше).

Сопряжённый теплообмен при движении вязкой несжимаемой...

Условия неразрывности тепловых потоков и непротекания заданы на линии симметрии ( ).

Решена система уравнений Навье-Стокса в переменных функция тока-вихрь, урав-нение

Тепломассообмен при химических превращениях. Тр. Второй Рос. нац. конф. по теплообмену.

Структурные и магнитные фазовые переходы при высоких...

Важнейшей мотивацией для изучения манганитов с общей формулой (А – редкоземельный, В – щелочно-земельный элементы) являются их богатые магнитные и структурные фазовые диаграммы.

Зависимость структурно-механических характеристик парафинов...

Модификацинного фазового перехода t2. Нефтяные парафины марки

3. Модификационный фазовый переход в твёрдом состоянии сопровождается значительным увеличением прочности.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Фазовые превращения парацетамола при термическом...

Показано, что фазовый переход пар−кристалл является ступенчатым: сначала происходит переход первого рода с изменением объема, затем переход второго рода с изменением упорядоченности.

Термодинамическая теория спонтанных спин-переориентационных...

Следовательно, в рамках данного приближения ориентационные переходы одной магнитной фазы в другую в кубических магнетиках при Н = 0 всегда происходят скачком, то есть всегда являются фазовыми переходами I — ого рода.

Метод неразрушающего теплового контроля твердофазных...

Практическое использование полимерных материалов (ПМ) невозможно без глубокого изучения суперпозиций их состояний и переходов. Информация о структурных переходах в полимерах необходима, прежде всего...

Снижение шумов на термограмме при определении структурных...

Если в исследуемом изделии происходит структурный твердофазный переход, сопровождающийся тепловым эффектом, то значения текущих

Алгоритм качественного анализа структуры и свойств материалов в области структурно-фазовых переходов.

Исследование кинетики фазообразования в сегнетоэлектрических...

Описанию фазовых переходов в пленках ТБС посвящено меньшее количество работ, но данный материал в последнее время

сегнетоэлектрические пленки, цирконат-титанат свинца, титанат бария-стронция, фазовый переход первого рода, зародышеобразование.

Модель с распределенными параметрами для описания динамики...

5) теплота фазового перехода (кристаллизации соли) в растворе равна нулю

2) расчет «конечного» состояния, соответствующего изменившемуся распределению температур (см. выше).

Сопряжённый теплообмен при движении вязкой несжимаемой...

Условия неразрывности тепловых потоков и непротекания заданы на линии симметрии ( ).

Решена система уравнений Навье-Стокса в переменных функция тока-вихрь, урав-нение

Тепломассообмен при химических превращениях. Тр. Второй Рос. нац. конф. по теплообмену.

Структурные и магнитные фазовые переходы при высоких...

Важнейшей мотивацией для изучения манганитов с общей формулой (А – редкоземельный, В – щелочно-земельный элементы) являются их богатые магнитные и структурные фазовые диаграммы.

Зависимость структурно-механических характеристик парафинов...

Модификацинного фазового перехода t2. Нефтяные парафины марки

3. Модификационный фазовый переход в твёрдом состоянии сопровождается значительным увеличением прочности.

Фазовые превращения парацетамола при термическом...

Показано, что фазовый переход пар−кристалл является ступенчатым: сначала происходит переход первого рода с изменением объема, затем переход второго рода с изменением упорядоченности.

Термодинамическая теория спонтанных спин-переориентационных...

Следовательно, в рамках данного приближения ориентационные переходы одной магнитной фазы в другую в кубических магнетиках при Н = 0 всегда происходят скачком, то есть всегда являются фазовыми переходами I — ого рода.

Метод неразрушающего теплового контроля твердофазных...

Практическое использование полимерных материалов (ПМ) невозможно без глубокого изучения суперпозиций их состояний и переходов. Информация о структурных переходах в полимерах необходима, прежде всего...

Снижение шумов на термограмме при определении структурных...

Если в исследуемом изделии происходит структурный твердофазный переход, сопровождающийся тепловым эффектом, то значения текущих

Алгоритм качественного анализа структуры и свойств материалов в области структурно-фазовых переходов.

Исследование кинетики фазообразования в сегнетоэлектрических...

Описанию фазовых переходов в пленках ТБС посвящено меньшее количество работ, но данный материал в последнее время

сегнетоэлектрические пленки, цирконат-титанат свинца, титанат бария-стронция, фазовый переход первого рода, зародышеобразование.

Модель с распределенными параметрами для описания динамики...

5) теплота фазового перехода (кристаллизации соли) в растворе равна нулю

2) расчет «конечного» состояния, соответствующего изменившемуся распределению температур (см. выше).

Сопряжённый теплообмен при движении вязкой несжимаемой...

Условия неразрывности тепловых потоков и непротекания заданы на линии симметрии ( ).

Решена система уравнений Навье-Стокса в переменных функция тока-вихрь, урав-нение

Тепломассообмен при химических превращениях. Тр. Второй Рос. нац. конф. по теплообмену.

Структурные и магнитные фазовые переходы при высоких...

Важнейшей мотивацией для изучения манганитов с общей формулой (А – редкоземельный, В – щелочно-земельный элементы) являются их богатые магнитные и структурные фазовые диаграммы.

Зависимость структурно-механических характеристик парафинов...

Модификацинного фазового перехода t2. Нефтяные парафины марки

3. Модификационный фазовый переход в твёрдом состоянии сопровождается значительным увеличением прочности.

Задать вопрос