Спосіб визначення модуля пружності діелектричних матеріалів

Винахід відноситься до галузі дослідження фізичних властивостей матеріалів за допомогою ультразвукових коливань і може бути використаний для вимірювання модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню стр уктуру під впливом зовнішніх факторів, наприклад, механічних напружень або температури. Найближчим за технічною суттю до запропонованого винаходу є спосіб визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структур у під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, який полягає в тому, що в зразку із досліджуваного матеріалу збуджують ультразвукові коливання і вимірюють швидкість V поширення ультразвукових хвиль [1]. Окрім цього, визначають пористість Р зразка, а значення Ео модуля пружності матеріалу визначають за формулою: де m – емпіричний коефіцієнт. Однак, відомому способові властива низька точність визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структур у під впливом зовнішніх факторів, зумовлена тим, що зразки, виготовлені Із одного й того ж матеріалу можуть мати різну внутрішню структур у (пористість, наявність дислокацій і т.п.). Крім цього, відомому способові властива, також, низька продуктивність праці, оскільки Індивідуальне визначення дефектів внутрішньої структури кожного зразка є складною і трудоемкою задачею. В основу винаходу покладено завдання створити такий спосіб визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, в якому нове додаткове вимірювання структурно-чутливої характеристики матеріалу дозволило б підвищити точність і продуктивність визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню стр уктур у під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, наприклад, механічних напружень або температури. Поставлене завдання вирішується тим, що у відомому способі визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом зовнішніх факторів, який полягає в тому, що в зразку Із досліджуваного матеріалу збуджують ультразвукові коливання, вимірюють швидкість поширення ультразвукових хвиль, згідно з винаходом, одночасна із вимірюванням швидкості поширення ультразвукових хвиль додатково вимірюють діелектричну проникність матеріалу, а модуль пружності Ео матеріалу визначають за формулою де r 0 - теоретична густина бездефектного матеріалу; V - виміряна швидкість поширення ультразвукових хвиль; e0-теоретична діелектрична проникність бездефектного матеріалу; e - виміряна діелектрична проникність матеріалу. Позитивний ефект у запропонованому винаході досягається за рахунок того, що одночасно Із вимірюванням швидкості поширення ультразвукових хвиль в матеріалі додатково вимірюють діелектричну проникність матеріалу, значення якої враховують при визначенні модуля пружності матеріалу. Оскільки діелектрична проникність є структурно-чутливою характеристикою матеріалу, то це дозволяє неперервно враховувати вплив вн утрішньої структури матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль, тобто неперервно визначати дійсне значення модуля пружності матеріалу, і, цим самим, дозволяє усун ути методичну похибку визначення модуля пружності, обумовлену впливом зміни внутрішньої структури матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль, тобто підвищити точність визначення модуля пружності матеріалу. Крім цього, оскільки вимірювання діелектричної проникності здійснюється апаратурно і методично простіше і значно швидше, ніж визначення дефектів внутрішньої стр уктури матеріалу (наприклад, пористості, наявності дислокацій і т.п.), то запропонований спосіб дозволяє значно підвищити продуктивність праці при визначенні модуля пружності. Запропонований спосіб визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню стр уктур у під впливом зовнішніх факторів, реалізується наступним чином: в зразку, виго товленому із досліджуваного матеріалу, збуджують ультразвукові коливання; вимірюють швидкість V поширення ультразвукових коливань в тілі зразка; одночасно Із вимірюванням швидкості поширення ультразвукових коливань вимірюють діелектричну проникність e матеріалу зразка; значення Е0 модуля пружності досліджуваного матеріалу визначають за формулою: де r 0- теоретична густина бездефектного матеріалу; V - виміряна швидкість поширення ультразвукових хвиль; e0-теоретична діелектрична проникність бездефектного матеріалу; e - виміряна діелектрична проникність матеріалу. Фактична швидкість v поширення, ультразвукових хвиль в зразку, який має дефекти внутрішньої структури (пори, дислокації та Ін.), відрізняється від швидкості vo поширення ультразвукових хвиль в бездефектному матеріалі на величину Dv, тобто Наявність Dv призводить до появи методичної похибки визначення модуля пружності матеріалу, оскільки значення швидкості V є ви хідним для обчислення модуля пружності. Виміряне значення Е модуля пружності досліджуваного зразка дорівнює а дійсне значення модуля пружності матеріалу тобто виникає методична похибка DЕМ визначення модуля пружності, яка дорівнює Оскільки під впливом таких факторів, як механічні напруження, температура та Ін., змінюється внутрішня структура матеріалу, то буде змінюватися і швидкість v поширення ультразвукових хвиль в зразку, а разом з нею - методична похибка DЕМ, що призводить до спотворення результатів вимірювання модуля пружності. Таким чином, усунення методичної похибки DЕм визначення модуля пружності матеріалів, зумовленої впливом зміни внутрішньої структури матеріалу зразка на швидкість поширення в ньому ультразвукових хвиль, дозволить суттєво підвищити точність визначення модуля пружності. На основі (4) і (5) отримаємо, що дійсне значення модуля пружності матеріалу дорівнює де n = v0/v – масштаб спотворення швидкості поширення ультразвукових хвиль в зразку, що має дефекти внутрішньої структури. Отже, знаючи масштаб n спотворення швидкості поширення ультразвукових хвиль в зразку, легко визначити дійсне значення модуля пружності досліджуваного матеріалу на основі виміряного значення швидкості V поширення ультразвукових хвиль в зразку І, тим самим, усунути методичну похибку DЕм . Для визначення n використаємо умову єдності властивостей пористого тіла, яка полягає в тому, що масштаби спотворення швидкості поширення різних процесів (наприклад, звукових, теплових, електромагнітних хвиль та ін.) в одному й тому ж зразку взаємопов'язані і визначаються масштабним фактором І/Іо (де I - фактична довжина шляху процесу в пористому ТІЛІ , І0 - номінальна найкоротша довжина шляху процесу, що відповідає поширенню процесу в бездефектному тілі), тобто Іншим найважливішим параметром пористого тіла є безрозмірний контактний переріз a, який дорівнює відношенню площі фактичного контактного поперечного перерізу тіла до площі його номінального поперечного перерізу, тобто« являє собою безрозмірну активну частин у поперечного перерізу пористого тіла, в якій концентруються направлені напруження або процеси. Між двома найважливішими безрозмірними параметрами (масштабними факторами) І/Іо і a в одному й тому ж пористому зразку Існує однозначна залежність де n- відносна густина зразка. Взаємозв'язок між різними характеристиками пористого зразка оснований на однаковому впливові внутрішньої структури пористого тіла на масштаби спотворення швидкостей поширення різних процесів. Отже, знаючи масштаб спотворення одної із характеристик пористого зразка {наприклад, діелектричної проникності), можна визначити масштаби спотворення інших характеристик (наприклад, швидкості поширення ультразвукових хвиль, модуля пружності та Ін.), а потім визначити значення названих характеристик. При дослідженні діелектричних матеріалів,) що змінюють свою внутрішню структур у під впливом зовнішніх факторів, як первинну характеристику доцільно вибрати діелектричну проникність матеріалу, оскільки вона є структурно-чутливою характеристикою матеріалу і її можна відносно просто виміряти, як з методичної точки зору, так і стосовно апаратурних затрат. Для порошкових спечених матеріалів з не дуже великою пористістю (1-15%) справедливе співвідношення a =n m , де m = 3. Тоді на основі (8) і (9) отримаємо і, розглядаючи, діелектричну проникність матеріалу як діелектричну проникність кубика одинничного об'єму з поперечним перерізом отримаємо Тоді значення масштабу n спотворення швидкості поширення ультразвукових хвиль в зразку, що має дефекти внутрішньої структури, при a =n 3 дорівнює де e - діелектрична проникність матеріалу, що має дефекти внутрішньої стр уктури; e0- діелектрична проникність бездефектного матеріалу. З врахуванням (7) і (12) отримаємо вираз для визначення дійсного значення модуля пружності діелектричних матеріалів: Таким чином, запропонований спосіб визначення модуля пружності діелектричних матеріалів дозволяє неперервно враховува ти зміни внутрішньої структури матеріалу шляхом додаткового вимірювання діелектричної проникності матеріалу, значення якої враховується при визначенні дійсного значення модуля пружності, і, тим самим, усуває методичну похибку DЕм визначення модуля пружності, обумовлену впливом зміни внутрішньої структури матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль. Існуючі способи визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структур у під впливом ЗОВНІШНІХ факторів, не дозволяють неперервно враховувати вплив внутрішньої структури матеріалу на швидкість поширення ультразвукових хвиль і, отже, їм властива велика, як було показано вище, методична похибка визначення модуля пружності. Таким чином, запропонований спосіб визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню стр уктур у під впливом зовнішніх факторів, порівняно з прототипом дозволяє підвищити точність вимірювань в десять і більше разів. Одночасно підвищується продуктивність праці при визначенні модуля пружності порівняно з прототипом, оскільки неперервне вимірювання діелектричної проникності здійснюється швидше і методично простіше, ніж Індивідуальне визначення пористості зразків. Запропонована спосіб визначення модуля пружності діелектричних матеріалів, що змінюють свою внутрішню структуру під впливом зовнішніх факторів може бути реалізований за допомогою відомих пристроїв для вимірювання швидкості поширення ультразвукових хвиль в досліджуваному зразку і діелектричної проникності матеріалу зразка.