WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 11 05;12 Электромагнитный отклик на импульсное механическое возбуждение слоистых композиционных диэлектрических материалов © Т.В. Фурса Томский политехнический университет, 634050 Томск, Россия e-mail: fursa@tpu.ru (Поступило в Редакцию 11 января 2006 г. В окончательной редакции 14 апреля 2006 г.) Проведенными исследованиями установлена определяющая роль двойного электрического слоя в формировании электромагнитного отклика из слоистых композиционных материалов. Оценена плотность эффективного заряда двойного электрического слоя на границе адгезионного контакта двухкомпонентной системы цемент–гипс, которая оказалась порядка 4 · 10-9 C/cm2.

PACS: 77.65.-j При ударном возбуждении диэлектрических мате- валось осциллографической приставкой. Таким образом, риалов наблюдается генерирование электромагнитного в момент касания шарика с заземленной подложкой сигнала [1,2]. По нашим представлениям, один механизм регистрировалось падение напряжения до нуля, которое механоэлектрических преобразований при ударном воз- сохранялось от момента начала удара до момента отлета буждении слоистых композиционных материалов заклю- ударного элемента.

чается в генерировании переменного электромагнитно- Чтобы оценить роль двойного электрического слоя го поля, обусловленного смещением зарядов двойного в генерировании электромагнитного отклика на мехаэлектрического слоя, находящегося на границе компо- ническое возбуждение слоистых композиционных матенентов в композите акустической волной возбуждения, риалов была изготовлена модель двойного электричеотносительно приемника сигнала при неизменной кон- ского слоя — искусственно созданный электрет. Терфигурации системы двойной слой–приемник сигнала [3].

моэлектрет был изготовлен из фторопластовой пленки В данной работе предпринята попытка получить до- толщиной 50 µm по стандартной методике. После его полнительные доводы в пользу такого механизма меха- изготовления был измерен заряд электрета с помощью ноэлектрических преобразований и оценить зарядовое методики вибрирующего электрода, он составил порядка состояние двойного электрического слоя. Методика ре- 10-9 C/cm2. Заряд электрета сохранялся неизменным в гистрации электромагнитного отклика на механическое течение нескольких дней, что позволило использовать возбуждение заключалась в следующем. Импульсное его как модель двойного электрического слоя с известмеханическое возбуждение образцов производили сталь- ными параметрами. Затем электрет помещался между двух образцов изготовленных из цемента размером ным шариком массой 0.7 g, который сбрасывали на 5 5 5 cm. Далее проводилось ударное возбуждение поверхность образца. Такое механическое воздействие позволяло создавать импульс возбуждения энергией по- и регистрация электромагнитного отклика из этой фирядка 2.5 · 10-3 J и скоростью ударяющего тела — шари- зической модели по методике, описанной выше. Различная схема размещения электрета между образцами ка порядка 2.6 m/s. В качестве приемника электрической по направлению вектора диполя относительно приемнисоставляющей электромагнитного поля использовали ка сигнала обеспечивала инверсию элeктромагнитного емкостной датчик, который располагали на расстоянии отклика. Ниже приведена пространственно-временная 2 mm от нижней поверхности образца. Переменный электрический сигнал с емкостного датчика регистриро- реализация, на которой показаны: сигнал, обусловленвался с помощью осциллографа „PSC-500“, совмещенно- ный соприкосновением шарика с поверхностью и отраго с ЭВМ. В процессе измерения регистрировалась так- жающий длительность импульса механического возбуждения (1), в дальнейшем именуемый длительностью же длительность ударного возбуждения, для чего удар механического возбуждения, форма электромагнитного производился шариком, на который подавался потенциал по тонкой заземленной металлической подложке, нака- отклика, зарегистрированного при возбуждении в схеме с одним расположением электрета (2), и форма отклика, танной на верхнюю поверхность образца. На падающий шарик, через прикрепленную к нему тонкую металли- зарегистрированного при возбуждении в схеме с перевернутым электретом (3).

ческую нить, подавался через сопротивление небольшой потенциал (70 mV), и это напряжение поступало на один Из рис. 1 видно, что изменение направления поля дииз входов осциллографа. При соприкосновении шарика с поля электрета относительно приемного электрического заземленной поверхностью образца сопротивление зако- датчика приводит к изменению фазы электромагнитного рачивалось, напряжение падало до нуля и регистриро- отклика на 180 при полном совпадении величины и 138 Т.В. Фурса Теперь сравним электромагнитные отклики из модели, состоящей из слоя гипса и цемента с электретом, помещенным между этими слоями и из образца с таким же соотношением слоев из гипса и цемента, но с естественным двойным электрическим слоем, образованным в процессе формирования адгезионного контакта при твердении вяжущих.

После окончания процесса твердения эта модель представляла собой параллелепипед размером 5 5 10 cm, состоящий из равных по размеру (5 5 5cm) слоев цементного и гипсового камней, достаточно надежно связанных друг с другом силами адгезионного взаимодействия.

При сравнении откликов из модели с электретом и двухкомпонентной системы с естественным двойным Рис. 1. Типичные электромагнитные отклики из физической электрическим слоем видно явное подобие откликов, модели композита с искусственным двойным электрическим на основании чего можно сделать вывод о том, что слоем (электретом) при ее импульсном механическом возбуосновным источником электромагнитного отклика при ждении.

ударном возбуждении слоистых композиционных материалов является двойной электрический слой, находящийся на границе компонентов.

Для оценки зарядового состояния естественного двойформы электромагнитных откликов, что служит доказаного электрического слоя были использованы результельством определяющей роли двойного электрического таты сравнения параметров электромагнитного и акуслоя на механоэлектрические преобразования в такой стического откликов, зарегистрированные из физичемодели.

ской модели, состоящей из цемента и гипса, между Для исследования взаимосвязи характеристик двойкоторыми помещен электрет (искусственный двойной ного электрического слоя на границе двух различных электрический слой) и из двухкомпонентного компоматериалов с параметрами электромагнитного отклика, зита из этих же материалов с естественным двойным была изготовлена физическая модель, состоящая из обэлектрическим слоем, сформированным в процессе их разцов цемента и гипса, между которыми был помещен твердения.

электрет (искусственный двойной электрический слой).

В связи с тем что в одном случае у нас помещается Импульсное механическое возбуждение производилось между образцами электрет, а в другом образован естепо двум разным сторонам модели: по цементу и по ственный двойной электрический слой, характеристики гипсу и тем самым менялся на противоположный векакустических волн в таких образцах могли быть разные.

тор дипольного момента двойного электрического слоя относительно приемного датчика.

Из рис. 2 видно, что геометрия расположения двойного электрического слоя относительно приемного датчика также приводит как к инверсии фазы, так и отклика, причем фазовое смещение отличается от 180. Это связано с тем, что скорость звука в гипсе и цементе разная и относительно момента удара происходит смещение отклика. Была измерена скорость звука в этих материалах, она оказалась в гипсе 2.3 · 103 m/s, а в цементе — 3.5 · 103 m/s. В связи с этим полученные сигналы (рис. 2, кривые 3, 4) находятся не полностью в противофазе. Важно отметить, что длительность импульса возбуждения для различных материалов также разная. Это видно из сравнения кривых 1 и 2 на рис. 2 и связано с различиями в упругих характеристиках самих Рис. 2. Типичные электромагнитные отклики из физической материалов. В частности, модуль Юнга в гипсе равен модели двухкомпонентной системы цемент–гипс с искусствен6.9 · 109 Pa, а в цементе 1.8 · 1010 Pa. Поэтому наряду ным двойным электрическим слоем (электретом). 1, 3 — со смещением по фазе наблюдается некоторое измедлительность механического возбуждения и отклик, зарегинение формы и амплитуды электромагнитного отклика стрированный при ударе по цементу; 2, 4 — длительность в соответствии с изменением длительности и энергии механического возбуждения и отклик, полученный при ударе импульса механического возбуждения. по гипсу соответственно.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Электромагнитный отклик на импульсное механическое возбуждение... Для того чтобы это установить были сняты акустические отклики из этих образцов и установлено, что в акустическом плане модели с искусственным и естественным двойным электрическим слоем практически идентичны.

Для определения величины заряда естественного двойного электрического слоя были сняты электромагнитные отклики из моделей с искусственным и естественным двойным электрическим слоем (рис. 3).

Оценим дипольный момент электрета P1 = 1 · S1 · l1.

Плотность заряда электрета 1 = 10-9 C/cm2, площадь электрета S1 = 25 cm2, толщина электрета l1 = = 5 · 10-3 cm2.

Чтобы определить дипольный момент естественного двойного электрического слоя, введем поправочные коэффициент (k), учитывающий различия в элекРис. 4. Микрофотография зоны адгезионного контакта цетромагнитных откликах из моделей с искусственным мент-гипс. Стрелками показана ширина контакта. (В верхнем и естественным двойным электрическим слоем. Для углу фотографии изображена линейка, цена деления 10 µm).

определения различий в электромагнитных откликах из образцов с искусственным и естественным двойным электрическим слоем используем максимальное значение амплитуды первого полупериода отклика, так как слоя = P/S · l, где площадь двойного электрического на первой стадии возбуждения еще слабо сказываются слоя S = 25 cm2 и его толщина l = 2 · 10-3 cm.

процессы наложения акустических волн от различного Расчет показал, что плотность заряда, сформированрода отражений. Как видно из рис. 3, максимальное ного на границе адгезионного контакта цемента и гипса, значение первого полупериода отклика из модели с составляет порядка 4 · 10-9 C/cm2.

естественным двойным электрическим слоем примерно Данный подход может быть использован для опредев 1.4 раза больше, чем из модели с электретом, т. е.

ления зарядового состояния любых слоистых композиk 1.4.

ционных материалов.

Чтобы оценить ширину адгезионного контакта на границе цемента и гипса были выполнены специальные Список литературы исследования по оптической регистрации контактной зоны с помощью микроскопа.

[1] Фурса Т.В. // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 7. С. 53–56.

Из рис. 4 видно, что ширина адгезионного контакта [2] Суржиков А.П., Фурса Т.В., Хорсов Н.Н. // ЖТФ. 2001.

в модели цемент–гипс составляет порядка 10-20 µm.

Т. 71. Вып. 1. С. 57–61.

Тогда диполный момент естественного двойного слоя [3] Суржиков А.П., Фурса Т.В., Хорсов Н.Н. // Изв. ТПУ. 2005.

P = P1 · k, а плотность заряда двойного электрического Т. 308. № 7. C. 6–9.

Рис. 3. Электромагнитные отклики из образцов: 1 —с искусственным двойным электрическим слоем (электретом);

2 — с естественным двойным электрическим слоем и 3 — длительность механического возбуждения.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.