Введение к работе
Актуальность работы
В технологических изделиях, созданных на основе оптических стекол, кристаллов и полимерных материалов под влиянием механических воздействий - ударов и трения - накапливаются микротрещины, что приводит к их разрушению. Наличие информации о трещинообразовании непосредственно в процессе эксплуатации изделий из таких материалов либо в процессе их производства позволит контролировать и прогнозировать срок их службы. Это обуславливает необходимость создания метода и аппаратуры, которые позволили бы наблюдать зарождение, накопление и динамику роста трещин, образующихся в изделиях из оптических и полимерных материалов, подвергаемых нагрузкам в при сухом трении или при ударных воздействиях, и на этой основе разрабатывать рекомендации их оптимальной эксплуатации в конкретных технологических условиях. Результаты аналитического обзора спектральных методов, позволили предположить, что перспективным, применительно к исследованию разрушения изделий из оптических стекол, кристаллов и полимеров, может являться метод, базирующийся на разрешенной во времени механолюминесценции (МЛ). Этот метод позволяет получить информацию о «разорванных» химических связях, которые, как известно, располагаются на поверхностях трещин. Метод, базирующийся на разрешенной во времени МЛ, может быть также использован для контроля процесса трещинообразования с одной стороны и идентификации разрываемых химических связей в оптических и полимерных материалах с другой. На практике такие исследования могут быть полезны при выборе состава материалов для изготовления различных оптико-механических изделий, предназначенных для использования в условиях механических ударных воздействий или сухого трения (например, в условиях космического вакуума или в специальных вакуумных установках), а также для оптимизации процессов
их эксплуатации. Так, например, полимерные материалы (фторопласт, полиамид-6 и др.) широко используются в подшипниковых опорах валов реакторов, втулок цилиндров и штоков поршневых компрессоров, предназначенных для эксплуатации в условиях сухого трения.
В данной работе предпринята попытка выявления возможностей метода, базирующегося на разрешенной во времени МЛ, его инструментализации и адаптации применительно к оперативному контролю разрушения изделий из оптических и полимерных материалов.
Цель работы
Разработка методической и аппаратурной базы для оперативного контроля разрушения оптических и полимерных материалов, эксплуатируемых в условиях сухого трения и ударных нагрузок.
Задачи исследования
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ литературных данных по МЛ, и существующих установок, основанных на этом явлении, и предназначенных для изучения разрушения оптических и полимерных материалов;
спроектировать и построить установки, основанные на разрешенной во времени МЛ, для изучения разрушения оптических и полимерных материалов при сухом трении и ударных воздействиях;
на основе разрешенной во времени МЛ разработать метод контроля образования и динамики накопления трещин, формирующихся в оптических и полимерных материалах непосредственно в процессе их разрушения;
изучить возможности применения метода разрешенной во времени МЛ для определения химической природы радикалов, образующихся в процессе разрушения оптических и полимерных материалов при сухом трении и ударных воздействиях, с целью реализации качественного экспресс анализа
разрушенных компонентов оптических и полимерных изделий.
Методы исследования
В ходе решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:
Оптическая спектроскопия.
Разрешенная во времени люминесценция.
Акустическая эмиссия.
Научная новизна диссертации
Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней впервые установлено, что:
- при ударе и сухом трении монокристаллического кварца, силикатного и органического стекол и полимеров свет выделяется в виде вспышек одной и той же формы: сначала интенсивность увеличивается приблизительно линейно от времени, достигает максимального значения и затем уменьшается экспоненциально от времени.
- скорость роста интенсивности вспышки определяется скоростью роста микротрещіїн, а среднее время затухания вспышек определяется химическим строением свободных радикалов, образующихся при разрывах химических связей в оптических и полимерных материалах.
Основные результаты, выносимые на защиту
Созданные установки, базирующиеся на явлении разрешенной во времени МЛ, позволяют фиксировать одиночные вспышки света, выделяющиеся при образовании трещин в оптических и полимерных материалах.
Метод разрешенной во времени МЛ позволяет осуществлять непрерывный мониторинг образования, динамики роста и накопления микротрещин в деталях, изготовленных из оптических и полимерных материалов.
3. Метод разрешенной во времени МЛ позволяет проводить непрерывный экспресс анализ целостности оптических и полимерных компонентов изделия, находящихся на стадии их производства либо в процессе их эксплуатации.
Практическая ценность работы
В работе были получены следующие практические результаты:
Спроектированные и созданные установки позволяют осуществлять непрерывный мониторинг разрушения оптических и полимерных материалов, эксплуатируемых в условиях сухого трения и при ударных воздействиях.
Предложенный и реализованный на практике метод разрешенной во времени МЛ позволяет:
контролировать появление и динамику накопления трещин непосредственно в процессе эксплуатации оптических и полимерных изделий, подвергаемых механическому воздействию, что позволит предупреждать преждевременное разрушение таких изделий;
идентифицировать разрушаемые материалы деталей и узлов оптико-механических устройств при их производстве или эксплуатации.
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись на 7-й Российских и 8-й международных конференциях: XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005 г.); XXXV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005 г.); XVI международная конференция "Петербургские чтения по проблемам прочности" (Санкт-Петербург, 2006 г.); международная конференция "Прикладная оптика" (Санкт-Петербург, 2006 г.); XVI международная конференция "Физика прочности материалов" (Самара, 2006 г.); XXXVI научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2007 г.); IV международная школа-конференция "Микромеханизмы
пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 2007 г.); XLVI международная конференция "Актуальные проблемы прочности" (Беларусь, Витебск, 2007 г.); Первый Санкт-Петербургский конгресс "Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2007 г.); IV межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2007 г.); XVII международная конференция "Петербургские чтения по проблемам прочности" (Санкт-Петербург, 2007 г.); IV международная школа-конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов, 2007 г.); V межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008 г.), международная конференция RELMAS'2008 "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения" (Санкт-Петербург, 2008 г.); VI межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2009 г.).
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 05-08-01216, № 07-08-13533-офи_ц, № 06-08-00340, № 08-03-00148, № 09-05-00639.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе по перечню ВАК-5.
Структура и объем работы
