Во всех отраслях современной промышленности широко применяют полимерные материалы, свойства которых во многом зависят от температуры. Так, например, происходящие в полимерах под действием охлаждения или нагрева процессы значительно влияют на точность измерений волоконно-оптических датчиков, защитное покрытие которых состоит из таких материалов. Ученые Пермского Политеха разработали методику, позволяющую определять функциональную зависимость термического расширения от температуры для широкого спектра полимерных материалов.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика». Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России.
В волоконно-оптических датчиках на световоды, которые используются в качестве чувствительных элементов, нанесены защитные полимерные покрытия. Происходящие в них под действием температуры физические процессы воздействуют на точность измерений. Таким образом, температурные свойства полимерных покрытий и их конструкция существенно влияют на чувствительность подобных сенсорных систем, улучшая или ухудшая их эксплуатационные характеристики.
Параметры таких конструкций часто зависят от внутренних напряжений, формирующихся в процессе производства и эксплуатации. Один из факторов, влияющих на них, – это термическое расширение, когда под воздействием температуры полимер меняется в размере. Поэтому при создании волоконно-оптических сенсоров необходимо определять, как температура влияет на этот показатель, тем самым изучая степени его деформации в различных режимах.
«Коэффициент термического расширения полимеров непостоянен. Он зависит не только от температуры, но и скорости ее изменения. На сегодняшний день эта проблема не раскрыта в полной мере. Нужны разработки новых подходов, где на основе экспериментальных данных можно строить математические модели и описывать наблюдаемые на практике эффекты. В итоге это позволит давать оценку температурных деформаций полимеров, что важно как для оптоволоконных приложений, так и для аддитивных полимерных технологий и ряда других отраслей», – рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Александр Труфанов.
Ученые Пермского Политеха разработали методику определения температурной зависимости термического расширения и применили ее для пленочных полимерных образцов, которые широко используются в оптоволоконных изделиях.
«Сегодня в расчетных схемах используют не зависящие от температуры и скорости ее изменения значения коэффициента термического расширения. Это не позволяет в полной мере учитывать влияние полимерных покрытий на привносимые погрешности в волоконно-оптических датчиках. А традиционные методы измерения этого параметра не применимы для пленочных образцов, так как имеют недостаточную толщину и в них сложно реализовать большую скорость изменения температуры. Мы же предлагаем использовать такое устройство, как динамический механический анализатор, который позволяет корректно работать с пленочными образцами. С ним возможно задавать температуру в широком диапазоне, регулировать скорость ее изменения, точно контролировать прикладываемую силу и измеряемые перемещения», – объясняет Александр Труфанов.
Для расширения температурного диапазона политехники использовали систему охлаждения жидким азотом, которая позволяет проводить эксперименты в интервале от -150 до 600°С. Исследовали различные пленочные образцы, которые изготавливали из эпоксидной смолы и полимеров, отверждаемых ультрафиолетом. В процессе экспериментов фиксировали перемещения, температуру и прикладываемые усилия.
Полученные в результате зависимости позволяют точно описать деформационный отклик материала на изменение температуры. Преимуществом предлагаемого подхода также является то, что на одном и том же образце можно собирать данные и для анализа температурного расширения, и для определения вязкоупругих характеристик материала.
Достоверность работы методики измерения политехники подтвердили с помощью образцов из пищевой алюминиевой фольги, так как данные по температурному расширению алюминия хорошо известны. Результаты доказали, что предложенный учеными ПНИПУ подход корректен и может использоваться для установления зависимости термического расширения полимеров от температуры и скорости ее изменения.