Способ определения внутренних напряжений в полимерных материалах Советский патент 1992 года по МПК G01B11/16 

Изобретение относится к способам определения внутренних напряжений в полимерных материалах в процессе их кристаллизации или отверждения. Оно может быть использовано для визуального определения напряжений и качественной оценки кинетики изменения внутренних напряжений, непрерывного контроля их величины, определения локальных напряжений в прозрачных полимерных материалах.

Известны способы определения внутренних напряжений в полимерных материалах путем измерения упругости, термического анализа, поляризационно-оп- тическими методами и др.

Известные методы имеют относительно невысокую чувствительность и дают преимущественно интегральные характеристики внутренних напряжений в образцах или изделиях.

Известен способ определения внутренних напряжений методом упругой балки.

Этот метод не учитывает неравномерности распределения касательных напряжений по поверхности контакта пленка-подложка и не принимает во внимание нормальные напряжения, действующие в плоскости, перпендикулярной подложке. Метод дает интегральные характеристики напряжений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ, который состоит в том, что для определения температурных

XI

со

XI

ND О N)

напряжений изготавливают композитную модель конструкции из материала на основе эпоксидной смолы; после полимеризации изготавливают срезы модели и определяют температурные напряжения при просвечивании их поляризованным светом, причем с целью расширения температурного диапазона измеряемых напряжений модель выполняют из компаунда холодного отверждения, а операцию полимеризации проводят сначала при комнатной температуре, а затем при 35-70 С.

Однако данный способ применим только к оптически активным материалам, поскольку, вследствие различной поляризуемости макромолекул полимеров, возникающая оптическая анизотропия под действием деформации для целого ряда полимеров незначительна.

Способ применим только к моделям конструкций из полимерных материалов, а не к самим конструкциям или материалам. Это связано с тем, что не все полимерные материалы являются достаточно оптически активными и прозрачными.

Способ не позволяет наблюдать кинетику изменения напряжений в процессе действия статических или динамических деформаций, поскольку измерения напряжений производятся на срезах моделей.

Способ требует больших затрат времени, имеет ограниченную точность, ограничения для контроля локальных напряжений в полимерных материалах.

Целью изобретения является повышение точности, экспрессности измерения, со- здание возможности локального определения напряжений в прозрачных полимерных материалах независимо от их оптической активности,

Сущность изобретения состоит в том, что полимер, находящийся в расплавленном или вязкотекучем состоянии, наносят на ферромагнитную пластинку, например, из сплава Fe+3%Si, с известным типом доменной структуры. Полимер покрывает пластинку слоями одинаковой толщины с обеих или с одной стороны. Затем производят отверждение или кристаллизацию полимерного материала. В процессе затвердевания возникают внутренние напряжения в полимере, которые влияют на тип доменной структуры. Их определяют при помощи установки для оптического наблюдения доменной структуры ферромагнетиков, используя магнитооптический эффект Кер- ра, причем о характере напряжений судят по изменению периода доменной структуры, общему изменению характера доменной структуры. Наблюдения производят

визуально либо с помощью кинофотоаппаратуры, применяя фотоэлектронный умножитель для регистрации оптического сигнала от локального участка доменной

структуры. В случае локального изменения напряжений в полимерном материале, например, вследствие воздействия радиации или излучения оптического диапазона перестройка доменной структуры также происходит в локальных областях. Для удобства наблюдений целесообразно использовать ферромагнетики с полосовой доменной структурой. Чувствительность способа можно регулировать двумя путями: изменением

толщины ферромагнитной пластины или изменением толщины полимерного покрытия. Количественную характеристику степени затвердевания и внутренних напряжений можно получить по калибровочным данным,

отражающим связь относительной ширины доменов и величины внутренних напряжений.

Для определения внутренних напряжений проводят следующие операции. Берут

пластинку из ферромагнитного материала известной толщины, имеющего определенный тип доменной структуры, например полосовую. Обезжиривают ее и наносят равномерно с обеих сторон полимерные

слои известной толщины, причем полимерный материал находится при этом в расплавленном или вязкотекучем состоянии. В процессе затвердевания полимерного материала производят регистрацию изменения

доменной структуры визуально при помощи фотокиноаппаратуры или фотоэлектрическим методом на установке для наблюдения эффекта Керра.

Схема реализации предлагаемого способа показана на чертеже.

Установка состоит из источника света, например, лазера 1, поляроидов 2, конденсора 3, объектива 4, регистратора 5 световых сигналов, например фотоаппарата или

фотоэлектронного усилителя (ФЭУ). Образец 6 с нанесенным слоем полимерного материала располагается под некоторым углом, например 45°. При таком угле падения достигается максимальная контрастность изображения доменной структуры. В случае необходимости контрастность повышают путем уменьшения эллиптичности отраженного света, нанесения на ферромагнитную пластину непоглощающих тонкопленочных диэлектрических покрытий, например CdS.

Нанесение слоя полимерного материала приводит к дополнительному увеличению контрастности за счет увеличения суммарного значения показателя преломления.

П р и м е р 1. Берут исследуемое вещество в вязкотекучем состоянии, например эпоксидную смолу ЭД-20, отверждаемую полиэтилен полиамином. Подготовленную для наблюдения доменной структуры поверхность ферромагнетика, например сплав Fe+3%Si, имеющий полосовую доменную структуру, обезжиривают и покрывают с обеих сторон эпоксидной смолой. Для уменьшения воздушных включений, влияющих на качество получаемой информации с поверхности, производят вакууми- рование неотвержденной смолы в течение 3-5 мин в зависимости от ее вязкости и количества воздушных включений. Для получения равномерной плоскопараллельной поверхности в случае необходимости на поверхность исследуемой смолы кладут пленку из тонкого прозрачного безрельефного материала с низкой величиной адгезии, например из полиэтилентерефталата. После частичного отверждения эту пленку удаляют и производят регистрацию доменной структуры через определенные промежутки времени или непрерывно. По калибровочным данным определяют напряжения.

П р и м е р 2. Выполняют все операции, как указано в примере 1. Для локального определения внутренних напряжений воздействуют на полимерный материал радиацией или излучением оптического диапазона, например, лазерным источником, регистрируют локальные изменения доменной структуры и определяют локальные напряжения по известной зависимости относительной ширины доменной структуры от величины напряжений.

В случае, когда изменения доменной структуры выражены слабо из-за малых величин сжимающих напряжений пленки полимера, нанесенной с обеих сторон образца, поступают следующим образом. Наносят полимерное покрытие с одной стороны, противоположной поверхности наблюдения доменной структуры. В результате возникновения напряжений сжатия пленка

вместе с ферромагнитной подложкой изгибается. Верхняя плоскость ферромагнетика окажется растянутой. Это приведет к изменению домен ной структуры (периода доменной структуры либо типа структуры). По известным зависимостям определяют величину напряжений.

Предложенный способ может найти применение в контроле производства изделий из полимерных материалов, а также в процессе контроля за механическими изменениями в них, например, под воздействием радиационного, теплового или светового облучения, поскольку он относится к дистанционным и бесконтактным.

Формула изобретения 1. Способ определения внутренних напряжений в полимерных материалах, заключающийся в том, что наносят на

подложку слой материала в жидком или вязкотекучем состоянии, отверждают его и оп- ределяют внутренние напряжения в материале, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве подложки используют пластину из ферромагнитного материала с известной зависимостью степени поляризации доменной структуры ферромагнитного материала от усилия нагружения, после отверждения

определяют степень поляризации доменной структуры ферромагнитного материала, а внутренние напряжения определяют используя известную зависимость степени поляризации от усилия нагружения.

2. Способ по п. 1,отличающийся

тем, что в качестве ферромагнитного материала выбирают материал с полосовой доменной структурой.

3. Способ по п. 1,отличающийся тем, что осуществляют локальное воздействие на полимерный материал радиацией или излучением оптического диапазона, регистрируют локальные изменения доменной структуры и определяют локальные напряжения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения внутренних напряжений в полимерных материалах в процессе их кристал- лизации или отверждения. Целью изобретения является повышение точности за счет определения локальных значений напряжений. Прозрачный полимер в расплавленном или вязкотекучем состоянии наносят на подложку в виде пластины из ферромагнитного материала. Отверждают полимер, при этом в нем возникают внутренние напряжения, которые влияют на тип доменной структуры ферромагнитного материала. О напряжениях судят по изменению периода доменной структуры и по изменению типа структуры. При локальных изменениях напряжений в полимере, например при воздействии радиации, лазерного излучения и т. п., перестройка доменной структуры также происходит в локальных областях. 2 з. п. ф-лы, 1 ил. (Л