Акустические методы.

Введение. Задачи методов исследований.

Методы исследования материалов

Для фундаментальной науки главное в исследованиях - обнаружить взаимосвязь между составом и свойствами. С прикладной точки зрения - проанализировать неизвестный материал, выявить потребительские свойства, т.е. возможности материала, дать рекомендации по его модификации, по оптимальным условиям его переработки и эксплуатации.

Данный раздел включает в себя следующие методы:

1) Акустические методы исследования полимеров,

2) Диэлектрические методы исследования полимеров,

3) Теплофизические методы. В том числе:

3.1)Термогравиметрия,

3.2)Дифференциальный термический анализ,

3.3) Дифференциальная сканирующая калориметрия,

3.4) Дилатометрия.

4) Спектральные методы.

4.1) Спектроскопия в видимой области,

4.2) Ультрафиолетовая спектроскопия,

4.3) Инфракрасная спектроскопия.

5)Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

6) Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

7) Электронная микроскопия,

8)Масс-спектроскопия.

9) Хроматография.

 

В случае вязкоупругих тел связь между напряжением s, изменяющимся по периодическому закону, и деформацией d выражается по закону

s = Е^*d

где Е* - комплексный модуль упругости Е*=Е’ +jЕ”.

Действительная часть модуля упругости Е’ называется динамическим модулем упругости, а мнимая часть Е” - модуль потерь.

Пусть к материалу приложено синусоидально изменяющееся напряжение s=s_оsinwt, где s_о- амплитуда напряжения, w- круговая частота w=2pf (f-число колебаний в сек), t-время. В этом случае, если тело обнаруживает линейное вязко-упругие поведение, то деформация также будет изменяться синусоидально, но по фазе будет отличаться от напряжения

d=d_оsin(wt-d_п)

где d_о -амплитуда деформации, d_п - сдвиг фаз между напряжением и деформацией. В любой момент времени Е*=s/d.

Напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону и не совпадающее по фазе с деформацией, легко разложить на две составляющие, одна из которых будет совпадать по фазе с деформацией, а вторая отличаться на p/2. Первая составляющая пропорциональна Е’, а вторая - Е".

Динамический модуль упругости Е’ представляет собой действительную часть комплексного модуля упругости и равен отношению составляющей напряжения, совпадающего по фазе с деформацией, к величине этой деформации.

Динамический модуль упругости характеризует величину энергии, получаемой и отдаваемой единицей объема данного тела за 1 период.

Модуль потерь Е" представляет собой отношение составляющей напряжения, отличающейся по фазе на p/2 от деформации, к величине этой деформации. Модуль потерь Е" характеризует ту часть энергии упругих колебаний, которая превращается в тепло за один период колебаний/ Таким образом, Е" характеризует диссипацию энергии колебаний в вязкоупругом теле. Абсолютная величина модуля упругости Е=[(Е’)²+(Е”)²]^1/2

Сдвиг фаз между напряжением и деформацией обычно задается тангенсом угла механических потерь

tgd=E"/E'

(который называют иногда коэффициентом механических потерь)

Иногда пользуются понятием комплексной податливости

J=1/E=J'-jJ"

Величина J' называется динамической податливостью, а J" - подат

ливостью потерь. Компоненты J* и E* связаны между собой сложными соотношениями

J*=[(1/E’)-j(1/E’)tgd]/(1+tg²d_п )

J’=(1/E’)/ (1+tg²d_п )

J’’=(tgd/E’)/ (1+tg²d_п )=(1/E’’)/[1+(1/tg²d_п)]

Если tgd невелик, то приблизительно J’=1/E’ J”=1/E”.

Типичная температурная зависимость модуля упругости Е и tgdм в области температуры перехода показаны на рис. ниже. Ниже температуры перехода (например, стеклования) модуль упругости высок и tgdм мал. При температурах выше температуры перехода подвижность кинетических единиц выше и модуль упругости ниже, затраты энергии на ориентацию кинетических элементов невелики и tgdм невелик. При температуре перехода тредуются значительные затраты энергии на преодоление сопротивления кинетических единиц (элементов) и поэтому tgdм максимален.

 

E’,tgd Е’

tgd