Устройство для определения релаксационных характеристик материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к устройствам для определения релаксационных характеристик материалов, предназначенным для определения вязкоупругих характеристик, таких как динамический модуль сдвига, модуль потерь и тангенс угла механических потерь, и может быть использовано при отработке синтеза стеклообразных материалов и дисперсных структур с целью их получения с определенными деформационными параметрами.

Известен прибор для исследования динамических характеристик полимеров на низких и инфранизких частотах.

Работа прибора основана на возбуждении вынужденных крутильных колебаний.

Недостатком данного прибора является трудность закрепления тонких стеклянных волокон в жестких цанговых зажимах и их перекос при зажатии, что снижает точность и достоверность информации.

Известно также устройство для измерения внутреннего трения и модуля сдвига материалов, которое представляет собой крутильный маятник с верхним и нижним зажимом, жестко соединенное с верхним зажимом инерционное тело, магнитную подвеску, состоящую из электромагнита и регулятора тока системы компенсации продольных усилий, содержащий элемент сравнения и подключенный к нему задатчик напряжения и датчик обратной связи, а также средства возбуждения и регистрации коXI XI 00

о кэ

V4

лебаний. Нижний зажим установлен с возможностью вертикального перемещения и снабжен исполнительным механизмом этого перемещения.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения внутреннего трения и динамического модуля сдвига, вызванная наличием жестко закрепленного инерционного груза, а также возможность перекоса стеклянного волокна и его поломка при закручивании.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для определения динамического модуля сдвига тонких стеклянных волокон, которое состоит из колебательной системы с двигателем, редуктора с фотоэлектрическим преобразователем вращения вала редуктора в периодический электрический синусоидальный сигнал за счет нецентрированного крепления оптической шторки. В колебательную систему устройства входит легкая подвижная рамка с электрической обмоткой. Рамка центрируется с помощью опор в поле постоянного магнита, имеющего возможность вертикального перемещения по линейному подшипнику. К рамке жестко прикреплен верхний зажим для исследуемого образца, помещаемого в термокамеру, и жестко прикреплена оптическая шторка регистрирующего фотопреобразователя. К нижнему концу исследуемого образца крепится нижний зажим в виде стержня из тугоплавкой стали, жестко соединенной с диском из электротехнической стали и находящимся вне термокамеры. Стержень и диск являются составляющими частями нижнего зажима для исследуемого волокна. Нижний зажим располагается на электромагнитном столе, который является сердечником электромагнита. Электромагнит вместе с электромагнитным столом имеет микрометрический винт для вертикального перемещения. Постоянный магнит, рамка с керновыми опорами, верхний зажим, оптическая шторка уравновешиваются противовесом. Регистрация информации осуществляется на двухкоординатном самописце.

Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения вяз- коупругих характеристик исследуемого материала вызванная тем, что для подвода электрического синусоидального сигнала к обмотке рамки системы возбуждения колебаний необходимо применение гибких проводников или подвижных контактов, которые имеют упругие характеристики и оказывают влияние на колебания системы

устройства, вызывают дополнительное демпфирование, накладывающееся на демпфирование, вызываемое вязкоупругими свойствами исследуемого образца. Таким

образом, для закручивания колебательной системы устройства на определенный фик- . сированный угол у относительно своей оси необходимо преодолеть сопротивление вызываемое как упругими характеристиками

0 исследуемого стеклянного образца, так и упругими характеристиками проводов подводящих к электрической обмотке подвижной рамки возбуждающий сигнал. Наличие этих токоподводящих проводов ограничи5 вает вращательную подвижность рамки, входящей в колебательную систему устройства. Таким образом, вращающий момент, прикладываемый к колебательной системе устройства, идет на преодоление

0 сопротивления суммы упругих характеристик исследуемого стеклянного волокна и токоподводящих проводов колебательной системы. Наличие сопротивления за счет упругости токоподводящих проводов колеба5 тельной системы и вносит погрешности в определение вязкоупругих характеристик исследуемого стеклянного волокна.

Целью данного изобретения является повышение точности результатов измере0. ний.

Для достижения этой цели устройство для определения релаксационных характеристик материалов снабжено центрирующим узлом, центрирующие опоры которого

5 расположены на кронштейне, жестко соединенном с двухкоординатным X-Y-позицио- нером центровки колебательной системы, причем верхняя часть центрирующего узла жестко скреплена с нижним зажимом креп0 ления исследуемого образца, а нижняя часть этого центрирующего узла жестко соединена с постоянным магнитом магнитоэлектрической системы возбуждения крутильных колебаний, при этом рамка с

5 обмоткой возбуждения крутильных колебаний жестко закреплена на втором двухкоординатном X-Y-позиционере, а постоянный магнит имеет степень свободы вращения относительно оси колебательной систе0 мы.

Устройство для определения релаксационных характеристик материалов состоит . из колебательной системы, в которую вхо дит центрирующий узел 1 с центрирущими

5 игольчатыми опорами 2, расположенными кронштейне 3, жестко закрепленном на двухкоординатном X-Y-позиционере 4. Кроме того, в колебательную систему входит постоянный магнит 5 магнитоэлектрической системы возбуждения крутильных колебаний, жестко соединенный с нижним концом центрирующего узла и расположенном внутри рамки 6 с обмотхой возбуждения крутильных колебаний. Эта рамка жестко закреплена на втором двухкоорди- натном X-Y-позиционере 7. В колебательную систему устройства также входит нижний зажим 8 жестко скрепленный с верхним концом центрирующего узла, исследуемый образец 9 и верхний зажим для него 10, соединенный с безлюфтовой системой подтяжки 11с тросиком противовеса 12 и противовесом 13, Все устройство размещено на основании 14. К центрирующему узлу жестко прикреплена оптическая шторка 15 регистрирующего фотопреобразователя 16. Регистрация информации осуществляется при помощи двухкоординатного графопостроителя 17, Возбуждение крутильных колебаний с помощью генератора 18 осуществляется в частотном диапазоне Гц. Устройство снабжено термокри- окамерой 19.

Устройство работает следующим образом.

Синусоидальный электрический сигнал с генератора 18 поступает на обмотку рамки 6 магнитоэлектрической системы возбуждения крутильных колебаний. Взаимодействие вектора магнитного момента обмотки с током рамки б и вектора магнитной индукции однородного магнитного поля постоянного магнита 5 этой магнитоэлектрической системы приводит к возникновению вращающего момента сил М равного:

рактеристики являются состэвляюшмми комплексного модуля сдвига, т.е.

G-где G 0 сдвига; G

+ l

шт

1 Ч-оЯг2 1 -fo/z2

(2)

1

динамический модуль

сот

1

- модуль потерь;

G G

Мо)т- тангенс угла механических потерь;

О) - угловая частота;

г- время релаксации.

Таким образом, все эти вязкоупругие релаксационные характеристики зависят от

частоты периодического воздействия со и времени релаксации г, т.е. времени необходимого для снижения, возникшего в материале в результате деформирования,

напряжение в 2,7 раза. Следовательно, время релаксации характеризует время структурной перестройки исследуемого материала, в результате которой и происходит снижение напряжения. Время релаксации

материала не зависит от частоты приложенного воздействия, а зависит от температуры по уравнению:

35

U кТ

(3)

Назначение: устройство предназначено для определения вязкоупругих характеристик и может быть использовано при отработке синтеза стеклообразных материалов и дисперсных структур с целью их получения с определенными деформационными параметрами. Сущность определения: устройство состоит из колебательной системы, в которую входит центрирующий узел с центрирующими игольчатыми опорами, расположенными на кронштейне, жестко закрепленном на двух координатном X-Y- поэиционере. Регистрация информации осуществляется при помощи двухкоорди- натного графопостроителя. Возбуждение крутильных колебаний с помощью генератора осуществляется в частотном диапазоне 10-10 Гц. Устройство снабжено термокри- окамерой. 1 ил.

В

где Рт - вектор магнитного момента обмотки CJOKOM рамки 6;

В - вектор магнитной индукции поля постоянного магнита 5.

Вращающий момент М стремится привести постоянный магнит 5 в положение устойчивого равновесия, при котором векторы рт и В ориентируются параллельно друг другу, однако вращению постоянного магнита 5 относительно вертикальной оси колебательной системы устройства, а следовательно, и всей колебательной системе устройства, препятствуют вязкоупругие свойства исследуемого материала 9, который демпфирует колебательные движения колебательной системы. Вязкоупругие свойства, такие как динамический модуль сдвига G , модуль потерь G и тангенс угла механических потерь tg 6 тесно связаны друг с другом. При периодически изменяющихся воздействиях эти вязкоупругие ха

где В - предэкспоненциэльный коэффициент;

U-энергия активации релаксационного

40 процесса;

k - постоянная Больцмана; Т - температура.

Изменение температуры в термокамере 19 приводит к изменению времени

-с релаксации, а следовательно и всех вязко- упругих релаксационных характеристик, а также угла механических потерь 6, который характеризует сдвиг фаз между напряжением, прикладываемым к исследуемому

CQ образцу, и соответствующей деформацией этого образца. Чем больше угол сдвига фаз, тем больше тангенс угла механических потерь tg д и меньше динамический модуль сдвига G , а чем меньше динамический мосс дуль сдвига, тем меньше сопротивление, оказываемое исследуемым образцом при его деформировании. Таким образом изменением температуры при постоянстве частоты со можно изменять время релаксации материала, а по сдвигу фазы д между прилагаемым напряжением и деформацией судить о величине всех вязкоупругих характеристик. При больших углах д когда исследуемый образец перестает оказывать влияние на вращающий момент М магнито; электрической системы векторы рт и В ориентируются параллельно, а при малых углах эти векторы располагаются под углом друг к другу. Таким образом, сдвиг фаз между механическим напряжением в образце и его деформацией и сдвиг фаз между электрическим напряжением, подаваемым на обмотку рамки 6 и началом перемещения постоянного магнита 5 характеризуют вязкоупругие релаксационные характеристики исследуемого материала. Угол поворота постоянного магнита 5 преобразуется в пропорциональный электрический сигнал фотопреобразователя 16 системы регистрации вынужденных крутильных колебаний, электрический сигнал с которого поступает на вход Y графопостроителя 17, а на X вход этого двухко- ординатного графопостроителя 17 подается электрический сигнал с генератора 18. По разности фаз сигналов с фотопреобразователя 16 и генератора 18 определяются вязкоупругие релаксационные характеристики.

Наличие несоосности и перекосы между верхним зажимом 10, нижним зажимом 8, центрирующим узлом 1 с постоянным магнитом 5 устраняется при помощи двухкоор- динатного X-Y позиционера 4, на котором закреплен кронштейн 3 с центрирующими игольчатыми опорами 2. Зазоры в магнитоэлектрической системе возбуждения крутильных колебаний между постоянным магнитом 5 и рамкой 6 осуществляется при помощи второго двухкоординатного X-Y позиционера 7, на котором жестко закреплена рамка 6 обмотки возбуждения. При этом рамка 6 с токоподводящими проводами в колебательную систему устройства не входят, а следовательно не накладывают дополнительной нагрузки на вращающий момент прикладываемый к исследуемому образцу и не влияют на точность измерения.

Таким образом, снабжение устройства центрирующим узлом, центрирующие игольчатые опоры которого расположены на кронштейне, жестко соединенном с двухкоординатным X-Y-позиционером центровки колебательной системы, причем верхняя часть центрирующего узла жестко скреплена с нижним зажимом крепления исследуемого образца, а нижняя часть этого

центрирующего узла жестко соединена с постоянным магнитом магнитоэлектрической системы возбуждения крутильных колебаний, при этом рамка с обмоткой возбуждения крутильных колебаний жестко

закреплена на втором двухкоординатном X- Y-позиционере, а постоянный магнит имеет степень свободы вращения относительно вертикальной оси колебательной системы, позволяет повысить точность результатов

измерений.

Формула изобретения Устройство для определения релаксационных характеристик материалов, содержащее систему возбуждения вынужденных

крутильных колебаний, верхний подвижный, нижний неподвижный зажимы для крепления исследуемого образца, систему съема информации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, устройство дополнительно снабжено первым и вторым двухкоординатными позиционерами и центрирующим узлом, центрирующие игольные опоры которого расположены на кронштейне, жестко соединенном с двухкоординатным X-Y-позиционером центровки колебательной системы, причем верхняя часть центрирующего узла скреплена с нижним зажимом крепления исследуемого образца, а нижняя часть этого

центрирующего узла жестко соединена с постоянным магнитом магнитоэлектрической системы возбуждения крутильных колебаний, при этом рамка с обмоткой возбуждения крутильных колебаний жестко

закреплена на втором двухкоординатном X- Y-позиционере, а постоянный магнит имеет степень свободы вращения относительно вертикальной оси колебательной системы.

ii

il