ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Контроль структуры и состава микрорадиоволновым методом из "Технологический неразрушающий контроль пластмасс" Микрорадиоволновые методы контроля состава и структуры полимерных материалов основаны на взаимодействии электромагнитных волн СВЧ-дианазона с контролируемым материалом. Исследование полимерных материалов в микрорадиоволновом диапазоне связано с изучением их диэлектрических свойств, т. е. поведения их комплексной диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь в зависимости от температуры, давления и других технологических факторов. [c.151] Изучению диэлектриков на сверхвысоких частотах посвящено много работ [163], в которых исследования проводились на образцах, специально изготовленных или вырезаемых из изделий при ломощи резонаторного или волноводного метода. И только сравнительно недавно (10—15 лет назад) появились работы, в которых диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь измеряли методами свободного пространства, не требующими разрушения контролируемого изделия. Электрические свойства полимеров в переменных полях определяются процессом установления поляризации во времени. С процессом установления поляризации электронного и ионного смещения связаны резонансные диэлектрические потери [163]. Для установления дипольной поляризации и поляризации, обусловленной слабо связанными ионами, характерны релаксационные диэлектрические потери. Установлено [164, с. 81], что релаксационные диэлектрические потери наблюдаются в диапазоне частот 10 —10 Гц, а резонансные—10 — 10 4 Гц. [c.152] Как следует из этой формулы, все изменения в структуре полимера, приводящие к изменению плотности, будут влиять на диэлектрическую проницаемость. Например, с увеличением температуры полистирола снижается плотность, что приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости [163, с. 78]. [c.152] Поведение диэлектрика в электромагнитном поле описывается уравнениями Максвелла, которые позволяют вычислить параметры электрического Е и магнитного Н полей, а также электрической / и магнитной В индукции при заданных распределениях зарядов-и токов в пространстве. [c.153] Взаимодействие микрорадиоволн с исследуемым материалом характеризуется коэффициентами отражения и прохождения, поглощением, рассеянием, изменением вида поляризации, типом волны. Эти параметры микрорадиоволн зависят от диэлектрической проницаемости, коэффициента поглощения и проводимости. Поэтому для изучения структуры полимерных материалов и изделий из них необходимо проводить измерения диэлектрической проницаемости, а при наличии диэлектрической анизотропии измерять, е в направлениях главных осей анизотропии. [c.153] Для измерения е в микрорадиоволновом диапазоне широкоег применение нашли интерференционные методы, сущность которых, заключается в сравнении фаз двух волн опорной, имеющей постоянную фазу, и отраженной или прошедшей через образец, фаза которой зависит от свойств исследуемого образца. Однако эти методы наиболее эффективны для измерения е наполненных полимеров. [c.153] Для ненаполненных полимеров, у которых диэлектрическая проницаемость определяется молекулярной упорядоченностью, может быть использован микрорадиоволновой метод, при котором антенный промежуток представляет собой открытый резонатор. [c.153] В отличие от цилиндрических и прямоугольных резонаторов,, объем открытого резонатора на большом протяжении не ограничивается металлическими плоскостями. В микрорадиоволновом диапазоне частот открытый резонатор является аналогом интерферометра Фабри — Перо в оптике. В простейшем случае открытый, резонатор состоит из двух плоских бесконечных тонких дисков, расположенных параллельно друг другу так, что их оси симметрии совпадают. Такие резонаторы имеют дискретный спектр резонансных частот и соответствующие им собственные колебания с малыми потерями на излучение в свободное пространство. Условием резонанса в резонаторе является целое число полуволн, укладывающихся по длине резонатора / / = р(А,/2) (где р = 1, 2, 3,. ..). [c.153] Если дифракционные потери малы по сравнению с потерями на отражение, то добротность резонатора Q пропорциональна расстоянию между отражающими поверхностями. При заданном размере отражателей добротность резонатора будет увеличиваться с ростом расстояния между отражателями / до тех пор, пока дифракционные потери не станут сравнимыми с потерями на отражение. С этого момента увеличение расстояния приводит к уменьшению добротности из-за возрастания дифракционных потерь. Открытые резонаторы нашли широкое применение в неразрушающих методах контроля полимерных материалов. При неразрушающем контроле материалов открытые резонаторы микрорадиоволнового диапазона применяются для определения структурных неоднородностей, диэлектрической проницаемости, затухания и для контроля начальных и остаточных напряжений в керамических материалах. Кроме того, высокая добротность, а следовательно, и высокая разрешающая способность открытого резонатора позволяют использовать его для контроля шероховатости поверхности материала и даже определять поверхностные свойства металлов (наличие и развитие коррозии). [c.154] Рассмотрим методику измерения диэлектрической проницаемости листового диэлектрика, помещенного между отражающим плоскостями открытого конфокального резонатора [166, с. 198]. При анализе структуры поля в резонаторе с учетом отражений от поверхности пластика будем обозначать падающую волну на пластину Ей отраженную Ег и прошедщую Е при падении волны слева и волны Е, и Е[, связанные с падающей волной справа (рис. 3.1). [c.155] Вычисляют диэлектрическую проницаемость методом последовательных приближений [165, с. 346] или по таблицам, полученным при помощи ЭВМ. [c.156] При tgS 0,01 поправку на потери можно не учитывать. При lgб 1 величина к изменится на 0,25% [165, с. 346]. Предельная точность вычисления диэлектрической проницаемости по описанной методике составляет 0,5% и определяется погрешностью измерения толщины пластины и отсчетом перемещения отражателя А1. [c.156] Метод измерения диэлектрической проницаемости с помощью конфокального резонатора достаточно прост и позволяет измерять лараметры диэлектриков с высокой точностью. [c.156] Для d = Я/4 наблюдается медленное изменение величины йт-Для полуволнового образца быстрое изменение От соответствует четным колебаниям при нечетном г, и наоборот. Отсюда можно обоснованно выбрать режим работы антенного промежутка. Автором [167] показано, что максимальная передача мощности в таком резонаторе происходит при настройке антенного промежутка в резонанс и при этом наблюдается максимальная чувствительность к обнаружению структурных неоднородностей. Из выражений (3.94) и (3.95) при известной толщине образца может быть рассчитано значение диэлектрической проницаемости. [c.157] Аналогично можно получить зависимость для йт при одностороннем контроле материалов на металлической подложке. Так же как и в случае работы на прохождение , при изменении антенного промежутка наблюдаются резонансные максимумы. На рис. 3.2 показано изменение интенсивности отраженного сигнала в зависимости от расстояния между приемно-излучающей антенной и исследуемым образцом для разных длин волн. [c.157] Наиболее резкий максимум наблюдается при Яо = 8,3 мм при расстоянии среза приемно-излучающей антенны от поверхности исследуемого образца 1=1,2 мм. Для определения диэлектрической анизотропии полимерных материалов и положения главных осей вращают исследуемый образец относительно оси антенны или антенну относительно исследуемого участка изделия. [c.157] Таким образом, для измерения диэлектрических свойств ненаполненных полимеров может быть применен микрорадиоволновый метод, основанный на настройке антенного промежутка в резонанс. [c.159] Из этого выражения видно, что при повороте приемно-излучающих антенн вокруг своей оси будут наблюдаться максимумы и минимумы сигнала. Минимумы сигнала, которые наблюдаются при 6 = 0, я/2, будут соответствовать положениям, соответствующим главным осям анизотропии. Измерение диэлектрической проницаемости вдоль главных направлений и под углом 45° к ним проводится с помощью СВЧ-интерферометра. Ориентируя положения антенн вдоль главных направлений, можно найти значения е для каждого направления. На рис. 3.4 приведена диаграмма в полярных координатах, полученная для однонаправленного стеклопластика. На диаграмме четкие минимумы соответствуют положению главных осей диэлектрической анизотропии. [c.160] При отсутствии рассеянного излучения исследуемый образец является полностью анизотропным и на диаграмме четко видны минимумы, соответствующие главным направлениям анизотропии. На рис. 3.5 приведены кривые распределения интенсивности прошедших через образец волн в зависимости от угла поворота 0 для стекловолокнистых материалов на основе рубленого стекловолокна. Образцы обладали различной степенью ориентации—100, 50 и 25%. Как видно из диаграммы, при увеличении степени ориентации более четко выявляются минимумы и максимумы распределения. Несимметричность лепестков на диаграмме объясняется возникновением дифракционных явлений на отдельных волокнах. Для таких материалов преимущественное направление ориентации следует определять по большей площади, т. е. использовать рупорные антенны, раскрыв которых много больше геометрических размеров отдельных волокон. [c.161] На механические, электрические и теплофизические свойства изделий из композиционных полимерных материалов большое влияние оказывает технологический режим — температура и давление прессования, натяжение стеклонитей и др. [c.162] Вернуться к основной статье