Full Text

Современные подходы к проектированию изделий, основанные на математическом моделировании, включающем описание термомеханического поведения конструкций в широких температурных диапазонах, требуют, как можно более полной информации о физико-механических свойствах материалов, зачастую, в виде функциональных зависимостей их значений от температуры и других параметров окружающей среды. На сегодняшний день широкое распространение во всех отраслях промышленности получили полимеры, обладающие по сравнению с другими конструкционными материалами целым спектром уникальных эксплуатационных характеристик и большим разнообразием технологических параметров. Однако известно [1], что физико-механические свойства полимеров значительно зависят от температуры и истории ее изменения, релаксационных процессов, скоростей деформаций, напряженного состояния и др. В некоторых случаях, например, в волоконно-оптических датчиках, термомеханические процессы в защитно-упрочняющих полимерных покрытиях (ЗУП) нанесенных на световоды, используемые в качестве чувствительных элементов, могут оказывать значительное влияние на точность измерений и в целом на эксплуатационные характеристики таких изделий [2,3]. Кроме того, ряд эмпирических исследований показал, что выбор материала ЗУП, использование многослойной конструкции, и даже соотношение толщин полимерных покрытий в них могут существенно влиять на чувствительность волоконно-оптических датчиков к изменению температуры, в одних случаях улучшая, в других, ухудшая их эксплуатационные характеристики [4–9]. Точность чувствительных элементов таких сенсорных систем зачастую обусловлено специально сформированным напряженно деформированным состоянием (НДС). Одним из параметров, влияющих на НДС в оптическом волокне чувствительного контура, является КЛТР полимеров ЗУП. В этой связи необходимо определение закономерностей влияния температуры на КЛТР полимеров, методики его измерения и построение функциональных зависимостей, учитывающих условия и характер эксплуатации конкретных изделий. Исследованиям зависимости КЛТР от различных параметров посвящены ряд работ, в частности, в статье А.И. Слуцкера с соавторами [10] описано исследование температурной зависимости термического расширения поливинилацетата (ПВА) в области релаксационного перехода. В работе Р. Хувинка и А. Ставермана [11] приведены экспериментально полученные зависимости удельного объема как функции температуры, для полиметилметакрилата. В работе Р.С. Спенсера [12] исследовано влияние температуры и скорости охлаждения на удельный объем полистирола, приведены экспериментальные данные и получена аналитическая зависимость. В работах [13,14] Д.М. Хатчинсон и А.Д. Ковакс исследуют зависимость температурного расширения стекол от истории температурного воздействия. В работе [15] методами натурного эксперимента А.Н. Труфановым и И.Н. Шардаковым было показано, что деформационный отклик пленочных полимерных образцов на температурное воздействие зависит не только от температуры, но и от скорости ее изменения. А в общем случае, в условиях цикличного нагрева и охлаждения при одинаковых абсолютных значениях температуры КЛТР полимеров может отличаться на десятки процентов [15–17]. Температурная деформация полимеров обусловлена существенным вкладом как ангармонических колебаний атомов, так и конформационными эффектами, связанными с проявлениями сегментальной подвижности цепей и межмолекулярным взаимодействием; если первый механизм практически не имеет инерции, и эта составляющая температурного расширения синфазно следует за изменением температуры [18], то конформационные переходы, как известно, развиваются в материале с течением времени, которое обусловлено характерными временами релаксации, зависит от температуры и от истории ее изменения [1,11]. Таким образом, можно утверждать, что температурная зависимость коэффициента термического расширения полимеров носит сложный нелинейный характер, является функцией не только температуры, но и скорости ее изменения, что особенно ярко проявляется в интервалах, включающих терморелаксационные переходы в материале. На сегодняшний день в литературных источниках эта проблема не раскрыта в полной мере. Следовательно, в рамках описанной проблематики актуальна задача разработки новых подходов и методик исследований, позволяющих на основе экспериментальных данных строить математические модели, адекватно описывать наблюдаемые на практике эффекты, давать качественную и количественную оценку температурных деформаций полимеров с учетом истории изменения температуры. В представленной работе, предложена методика, идентификации температурной зависимости КЛТР для пленочных полимерных образцов. Предлагаемые в рамках исследования подходы востребованы для математического описания термомеханического поведения УФ отверждаемых полимеров, которые в виде различных пленочных покрытий широко используются в оптоволоконных приложениях. В настоящее время в расчетных схемах используют, как правило, не зависящие от температуры осредненные на некотором интервале значения КЛТР для высокоэластичного и застеклованного состояний [19,20], что не позволяет в полной мере учитывать влияние полимерных покрытий на привносимые погрешности в волоконно-оптических датчиках, обусловленные происходящими в них термомеханическими процессами и их влиянием на НДС в оптическом волокне.

About the authors

А. N Trufanov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

Statistics

Views

Abstract - 270

PDF (Russian) - 116