Метод процесса теплопереноса с учетом возможного структурного перехода в полимерном материале (ПМ) реализуется с помощью информационно-измерительной системы (ИИС) и основан на нестационарном распространении тепла от тонкого плоского круглого источника тепла постоянной мощности при регуляризации тепловых потоков на модели плоского полупространства [1, 2]. В методе осуществляется регистрация аномальных изменений теплофизических свойств (ТФС) исследуемых ПМ в областях структурных переходов [3–8].
Так, по модели плоского полупространства расчетное выражение, описывающее термограмму вне зоны структурного перехода, имеет вид [9]
, (1)
где T1 — избыточная температура исследуемого изделия, °С;, e1, e2 — тепловые активности материалов исследуемого изделия и подложки зонда соответственно, Вт×с0,5/(м2×К); q — тепловой поток, мощность на единицу площади нагревателя, Вт/м2; t — время, с;
— теплоемкость нагревателя на единицу площади, Дж/(м2×К).
После получения расчетных зависимостей, реализуемых ИИС, были введены следующие обозначения: e1 = e, e2 = e¢ и 
. Тогда уравнение (1) представляется в виде
, (2)
где 
, 
, 
,
— параметры ИИС, определяемые режимами опыта, ТФС исследуемого изделия и подложки зонда.
Из уравнения (2) получено соотношение для вычисления текущего значения коэффициента 
по каждому интервалу термограммы [3–5]:
, (3)
где 
, 
,
, 
,
d1i — текущие значения параметра d1; d11, d12, e01, e02 — параметры d1 итепловые активности образцовых мер.
При расчете текущих значений коэффициентов , d1i и d0i полученную экспериментальную термограмму разбивали на интервалы с номерами точек 1… k; 2… k + 1; n — k + 1…n, где k — количество точек в интервале, целое положительное нечетное число(k ³ 3); n — количество точек в термограмме; i — номер интервала, целое число.
Имитационное моделирование процесса теплопереноса проводилось методом конечных элементов с использованием пакета прикладных программ COMSOL Multiphysics. Целью имитационного моделирования являлось выявление характера графических зависимостей 
и 
при структурном переходе в ПМ [10], в частности в политетрафторэтилен (ПТФЭ). Здесь Ts — средняя температура изделия из k текущих в каждом интервале измерений, К; d1i — текущие значения параметра модели, °С/c0,5; - текущее значение тепловой активности, Вт×с0,5/(м2×К).
Изменение теплоемкости ПТФЭ от температуры при наличии эндотермического структурного перехода в виде различных форм сигналов, представлено на рис. 1.
|
|
|
|
а) |
б) |
|
|
|
|
в) |
г) |
Рис. 1. Сигнал, возникающий при структурном переходе в ПТФЭ: а) треугольной формы; б) в форме параболы; в) прямоугольной формы; г) сложной формы
На рис. 2 представлены термограммы, полученные имитационным моделированием с учетом сигналов, которые проявляются на них при переходе. Условия опытов: радиус нагревателя 4×10–3 м; толщина изделия 7×10–3 м; мощность на нагревателе
0,7 Вт; временной шаг измерения температуры 0,5 с. Подложка зонда из пенополиуретана толщиной 20×10–3 м. Начальная температура изделия 270 К.
Из рис. 2 видно, что формы сигналов не влияют на термограмму. Также при реальной работе ИИС возникает шум, который проявляется на термограммах [11, 12].
Рис. 2. Термограммы с сигналами: 1) треугольной формы; 2) в форме параболы; 3) прямоугольной формы; 4) сложной формы
С помощью (3) построены графические зависимости 
и , которые представлены на рис. 3 [8].
|
|
|
Рис. 3 Зависимости: а) ; б)
Таким образом, полученные данные численных расчетов, представленные на рис. 3, хорошо совпадают с результатами экспериментальных исследований, проведенных авторами на ПТФЭ [1]. При температуре структурного перехода 293 К эндотермический переход в ПТФЭ проявился аномальными изменениями на температурных зависимостях параметра модели (d1i) и тепловой активности (
).
Литература:
1. Балашов, А. А. Информационно-измерительная система неразрушающего контроля температурных характеристик структурных переходов в полимерах / А. А. Балашов, Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова // Приборы. — 2010. — № 12(126). — С. 53–57.
2. Балашов, А. А. Проектирование информационно-измерительной системы для экспресс-контроля твердофазных переходов в полимерах / А. А. Балашов [и др.] // Современные информационные технологии. — 2012. № 15. — С. 19–21.
3. Метод неразрушающего контроля температурных характеристик структурных переходов в полимерах / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова, И. В. Рогов, А. А. Балашов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. — 2010. № 1–3. — С. 253–259.
4. Об одном методе термического анализа для неразрушающего контроля теплофизических свойств полимеров / Н. Ф. Майникова, Ю. Л. Муромцев, И. В. Рогов, А. А. Балашов // Пластические массы. — 2001. № 2. — С. 30–33.
5. Об одном методе исследования твердофазных переходов в полимерах / Н. Ф. Майникова, Ю. Л. Муромцев, Н. П. Жуков, А. А. Балашов // Пластические массы. — 2002. № 6. — С. 23–26.
6. Неразрушающий способ исследований релаксационных переходов в полимерных материалах / Н. Ф. Майникова, А. А. Балашов, С. О. Васильев // Вестник ТГТУ. — 2014. Т. 20. № 1. — С. 34–41.
7. Определение значений температуры твердофазных переходов в политетрафторэтилене неразрушающим способом / Н. Ф. Майникова, А. С. Медведева,
8. Н. Ю. Тужилина, А. О. Антонов, С. В. Молодов, С. О. Васильев // Депонированная рукопись № 457–в2010 19.07.2010.
9. Контроль температурно-временных характеристик структурных превращений в полимерных материалах / О. Н. Бардадымова, Д. С. Кацуба, О. Н. Попов, Н. Ф. Майникова // Успехи в химии и химической технологии. — 2011. Т. 25. № 2 (118). — С. 83–86.
10. Моделирование процесса теплопереноса от плоского источника тепла при теплофизических измерениях / Ю. Л. Муромцев, Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова, И. В. Рогов, А. А. Балашов // Вестник ТГТУ. — 1999. Т. 5, № 4. — С. 543–552.
11. Имитационное исследование теплопереноса в методе неразрушающего контроля структурных переходов в полимерах / Н. Ф. Майникова, Н. П. Жуков, А. А. Балашов, Д. Г. Бородавкин // Вестник ТГТУ. — 2008. Т. 14. № 2. — С. 315–320.
12. Снижение шумов на термограмме при определении структурных переходов в полимерах // Д. С. Кацуба, Е. Н. Сысоева, Е. В. Токарева, А. Ю. Ярмизина, Д. А. Комбаров // Молодой ученый. — 2014. № 3 (62). — С. 293–297.
13. Балашов, А. А. Реализация метрологического эксперимента в информационно-измерительной системе на политетрафторэтилене / А. А. Балашов, Д. С. Кацуба // Технические науки: теория и практика: материалы II Международ. науч. конф. (г. Чита, январь 2014 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2014. — С. 85–87.
