Применение слоистого полупроводникового кристалла селенида индия в качестве тензодатчика при исследовании деформации твердеющей смеси Советский патент 1992 года по МПК G01N11/00 

Изобретение относится к пслупровод- никовои датчиковой технике v, предназначено Для повышения чувствительности к внутренним напряжениям, непрерывного и неразрушающего контроля процессов твердения смеси в ходе их формирования (к примеру бетонных смесей, цементных растворов и т.д.).

Известен способ контроля кинетики твердеющих строительных материалов, включающий измерение потенциала металлического электрода, помещенного в исследуемую массу. Через электрод и исследуемый материал периодически пропускают электрический ток, а потенциал измеряют ь перерывах пропускания.

Известен способ определения кинетики структурообразования при твердении вяжущих материалов, включающий размещенные в твердеющую массу пары электродов и измерение сопротивления цепочки электроды - твердеющая смесь в процессе формирования бетона.

Наиболее близки к предлагаемому является метод измерения деформации /садки бетона, в котором в качестве чувствительного элемента использован тен- зооезистор. При этом изменение Сьпротчв- ления тензорезистора было,связано с процессами деформации в усде усадки твердеющей смеси. Сущность данного метода заключается а сле чсщем. Тензодат- чик, работающий на горизонтальный иэпю помещают в бетонную смесь. В ходе т верде ния (т.е. в результате усадки бетона) изменяется величина прогиба тензодатчи г, это в свою очередь влечет изменение :еоме1- рических размеров тензозлчмеч г что г о- бразится на функциональной зависимое сопротивления во времени.

Поскольку j основу работ г предложенного решения положен класс ческий эффект, то очевидно, что в резул П е усадки бетонной смеси чувствительный элемент (ЧЭ)(тэ«зодатчи:; ощуш ет толоко деформационные эффекты связанные с

{Л

чддг-а- СЛ 00

ся

,«Ј

КЗХЪ

усадкой бетонной смеси и никак не реагирует на процессы происходящие внутри твердеющем массы. Эти изменена могут серьезно повлиять на прочностные характеристики бетонного образца. Еще одним серьезным недостатком прототипа является неспособность разделять фазы кристаллизации и замерзания твердеющей массы (т.к. процесс кристаллизации и замерзания носит принципиально-разный характер). Преложенный прототип не позволяет разделить стадии формирования твердеющей смеси.

Цель изобретения - повышение чувствительности при разделении фаз замерза- имя и схватывания бетонной смеси в процессе непрерывного и неразрушающего контроля путем применения слоистого полупроводникового кристалла InSe. В ходе исследований получена временная зависи- мость сопротивления электрическому току моноселенида индия помещенного в бетонную массу. При этом высокая чувствительность при разделении фаз замерзания и схватывания твердеющих смесей достига- ется за счет использования эффекта,возникающего в результате объемных деформаций ЧЭ. Поскольку, в отличие от прототипа, где сущность способа контроля заключалась в использовании классическо- го тензоэффекта, для моноселенида индия, погруженного в твердеющую массу,существенным является всестороннее сжатие, чувствительность , которому в InSe достигает значений 10.Па 1 что на несколько поряд- ков выше чем у кремниевых датчиков.

Чувствительность к возникающим деформациям, изгибам в InSe также существенно выше чем в лучших тензорезисторах 10 , что также значительно превышает известные разработки.

Это достигается тем, что кристаллическая структура слоистого полупроводника InSe представляет стопу микрослоев последовательности ...Se-tn-ln-Se..Se-ln-ln-Se.... Причем связь в каждом микрослое преимущественно ковалентная, а междуслоеоая связь имеет вандерваальсовую природу. При механическом воздействии, в отличие от классического тензоэффекта в полупро- водниках и металлах, в слоистом селениде индия имеет место изменение степени перекрытия волновых функций соседних микрослоев, и поскольку интеграл перекрытич входит в закон дисперсии слоистого кри- сталла, то изменение сопротивления электрическому току будет гораздо большим, чем при тензозффекте в классическом понимании. Таким образом, при измерении сопротивления ЧЭ используют эффект обьемной

барической чувствительности полупроводника InSe.

Монокристаллы InSe.,выращенные по модифицированному методу Бриджмена, были помещены в экспериментальную ячей- ку, которая заливалась бетонной смесью. Измерение электросопротивления проводилось по мостовой схеме вольтметром В 7-34 А.

Для исследований процесса отвердевания бетонной массы при разных температурах экспериметральная ячейка была заключена в термокамеру ТК-1. Весь цикл испытаний проводился в два этапа, На первом этапе проведены исследования процесса отвердевания вяжущих материалов при температурах 20, 10, 5°С, на втором - при температурах 0, --6, -12, -20°С.

П р и м е р 1. Для определения температурного отвердевания вяжущей смеси ячейка была помещена в термокамеру ТК-1. Результаты исследований испытуемой системы (ЧЭ - твердеющая смесь) представлены в графической форме на фиг. 1. В процессе схватывания и отвердевания измерялась зависимость относительного изменения сопротивления R0/Rt во времени, где RQ- начальное значение сопротивления, Rt - сопротивление в момент времени t. Приведенные на фиг. 1 кривые описываются функциональной зависимостью:

at2 + bt -f с dt +y О t С-,29 сут; 0,3 t 1 сут,

где а, в. с, d, 7 - некоторые коэффициенты, причем -7 а -0,5; 0, с- 1 ; -0,.-0,25; 1 1,1.

Представленные на фиг. 1 результаты показывают, что на первом участке (1) происходит процесс схватывания и набора прочности, на втором (2) процесс схватыэа- ния замедляется, что свидетельствует о начале кристаллизации и переход от схватывания к твердению смеси, участок (3) характеризуется продвижением фронта кристаллизации вглубь.

П р и м е р 2. Особый интерес представляют испытания твердеющей смеси при отрицательных температурах. В этой целью были проведены исследования испытуемол системы при температурах С. -6, -12. -20°С. Графическая зависимость относительного изменения сопротивления ЧЭ поиведена на фиг. 2. Связь Ro/Rt с временем можно описать функцией:

Ro/Rr at2, b с ,5cyr. где ti. в, с - коэффициенты причем -О,: .01: 0,03 в-.О. 15. с 1

Ro/Rt

T.

Использование1 м- разрушающий гинт- роля процессов твердения смесей, нс.пр1«- мер, бетонных смесей, цементных растворов и т.д. в ходе их формирования. Сущность изобретения: монокристаллы селелида индия помешают в твердеющую смесь и измерро. зависимость относительного измечен /ч сопроти тения во времени, по которой судят о процессах, происхс смщих при за верцев,.чии смеси. 2 ил.

Ясе/

T«-e«t

T -20«t