RU2104515C1

RU2104515C1 - Method of determination of phase transition boundaries in polymers

Info

Publication number: RU2104515C1
Authority: RU
Inventors: В.Н. Егоров; В.В. Костромин; А.Г. Чертов
Original assignee: Особое конструкторское бюро кабельной промышленности; Восточно-Сибирский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений
Priority date: 1991-05-23
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1998-02-10

Abstract

FIELD: examination and analysis of materials. SUBSTANCE: polymer specimen is made as open disc dielectric resonator and positioned in thermal chamber at low temperature values. oscillations are excited by noncontact method, and simultaneous measurement of temperature and inherent resonant frequency of specimen is performed. Temperature in chamber is raised within the range of specimen material examination. Curve is plotted on the basis of obtained data on combination of specimen inherent resonant frequencies corresponding to specimen temperatures. Temperature boundaries of phase transitions are determined by curve extremes. EFFECT: more accurate results. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области исследования свойств и контроля качества полимеров в отраслях промышленности, производящих и использующих полимерные материалы, в частности для определения температурных границ структурных изменений (фазовых переходов) в полимерных материалах. The invention relates to the field of research of properties and quality control of polymers in industries producing and using polymeric materials, in particular for determining the temperature boundaries of structural changes (phase transitions) in polymeric materials.

Известен радиационный (радиографический, радиоскопический и радиометрический) способ исследования структуры полимерных материалов, заключающийся в воздействии на образец ионизирующим излучением с последующим получением изображения структуры образца на пленке или на бумаге и визуальным изучением изменений этой структуры. A known radiation (radiographic, radioscopic and radiometric) method for studying the structure of polymer materials, which consists in exposing the sample to ionizing radiation, followed by obtaining an image of the structure of the sample on film or on paper and by visual study of changes in this structure.

Основным недостатком этого способа является использование рентгеновского излучения и радиоактивных источников, опасных для здоровья человека, а также весьма малая точность и оперативность определения температурных границ фазовых переходов. The main disadvantage of this method is the use of x-rays and radioactive sources hazardous to human health, as well as the very low accuracy and speed of determining the temperature boundaries of phase transitions.

Известен также способ крутильных колебаний, основанный на использовании крутильного маятника или резонансного метода Бордони, заключающийся в возведении на образец низкочастотными акустическими колебаниями (0,001...10 кГц). Измеряемыми параметрами являются модуль сдвига (динамический модуль Юнга) и тангенс угла механических потерь. There is also a known method of torsional vibrations, based on the use of a torsional pendulum or the Bordoni resonance method, which consists in erecting low-frequency acoustic vibrations (0.001 ... 10 kHz) onto a sample. The measured parameters are the shear modulus (Young's dynamic modulus) and the tangent of the angle of mechanical losses.

Недостатками данного способа являются ограниченность температурного и частотного диапазонов, невысокая точность. The disadvantages of this method are the limited temperature and frequency ranges, low accuracy.

В более широком диапазоне частот исследуют полимерные материалы при помощи воздействия на них ультразвуком и измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний в образце, помещенном в камере тепла и холода. In a wider frequency range, polymer materials are examined by exposure to ultrasound and measuring the propagation velocity of ultrasonic vibrations in a sample placed in a chamber of heat and cold.

Недостатками данного способа являются проблема создания надежного акустического контакта между излучателем ультразвуковых колебаний и исследуемым образцом и низкая точность определения изменения скорости ультразвука. The disadvantages of this method are the problem of creating reliable acoustic contact between the emitter of ultrasonic vibrations and the test sample and the low accuracy of determining changes in the speed of ultrasound.

Известен также бесконтактный волноводный способ возбуждения колебаний в полимерных образцах, выполненных в виде открытых диэлектрических резонаторов (ОДР). Способ применяется для исследования диэлектрических характеристик полимеров. Also known is a non-contact waveguide method of exciting vibrations in polymer samples made in the form of open dielectric resonators (ODR). The method is used to study the dielectric characteristics of polymers.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является бесконтактный волноводный способ исследования физических свойств полимерных материалов. The closest in technical essence to the proposed technical solution is a non-contact waveguide method for studying the physical properties of polymeric materials.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и оперативности определения температурных границ фазовых переходов в полимерных материалах в широком диапазоне температур. The aim of the present invention is to improve the accuracy and efficiency of determining the temperature boundaries of phase transitions in polymeric materials in a wide temperature range.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе используют известный бесконтактный способ возбуждения колебаний в образце полимера, выполненного в виде открытого дискового диэлектрического резонатора (ОДР), помещенного в термокамеру при низких температурах, в которой повышают температуру и одновременно измеряют резонансную частоту образца, по полученным данным совокупности собственных резонансных частот, соответствующих определенным температурам образца, строят кривую, а температурные границы фазовых переходов определяют по экстремумам кривой. The goal is achieved in that the proposed method uses the well-known non-contact method of excitation of vibrations in a polymer sample made in the form of an open disk dielectric resonator (ODR) placed in a heat chamber at low temperatures, in which the temperature is increased and the resonant frequency of the sample is measured at the same time data set of natural resonant frequencies corresponding to certain temperatures of the sample, build a curve, and the temperature boundaries of phase transitions are determined elyayut extrema of the curve.

Резонансная частота ОДР в температурной точке начала фазового перехода резко изменяется вследствие резкого изменения молекулярной структуры вещества, вызывающего, в свою очередь, изменение линейных размеров и других параметров, в частности диэлектрической проницаемости. The resonant frequency of the ODR at the temperature point of the beginning of the phase transition changes sharply due to a sharp change in the molecular structure of the substance, which, in turn, causes a change in linear dimensions and other parameters, in particular, dielectric constant.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что при бесконтактном возбуждении колебаний в образце, помещенном в камеру тепла и холода, определяют зависимость собственных резонансных частот образца от его температуры, строят кривую, а температурные границы фазовых переходов определяют по экстремумам кривой. A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method differs from the known one in that when the contactless excitation of vibrations in the sample is placed in the heat and cold chamber, the dependence of the natural resonant frequencies of the sample on its temperature is determined, a curve is built, and the temperature boundaries of phase transitions are determined on the extremes of the curve.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty."

Известные технические решения определения температурных границ фазовых переходов в полимерах основаны на исследовании изменяющейся структуры материала различными физическими способами (определение модуля Юнга, рентгенография, по скорости распространения ультразвука и др.). Known technical solutions for determining the temperature boundaries of phase transitions in polymers are based on the study of the changing structure of the material by various physical methods (determination of Young's modulus, radiography, ultrasound propagation velocity, etc.).

В предлагаемом способе, отличающемся высокой точностью и оперативностью, определение температурных границ фазовых переходов производят по экстремумам кривой зависимости резонансной частоты образца от температуры. In the proposed method, characterized by high accuracy and efficiency, the determination of the temperature boundaries of phase transitions is carried out by the extrema of the curve of the dependence of the resonant frequency of the sample on temperature.

Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия". This allows us to conclude that it meets the criterion of "significant differences".

Для проведения измерений может быть использован измерительный тракт, состоящий из набора стандартных средств измерений: генератор СВЧ, направленные ответвители, вентили, диэлектрический волновод, осуществляющий электромагнитную связь генератора СВЧ с ОДР, электронно-счетный частотомер, поляризационный аттенюатор, детектор СВЧ и осциллограф, обеспечивающий визуальное наблюдение за резонансной кривой ОДР. To carry out measurements, a measuring path can be used, consisting of a set of standard measuring instruments: a microwave generator, directional couplers, valves, a dielectric waveguide that electromagnetically couples a microwave generator with an ODR, an electronically counted frequency meter, a polarization attenuator, a microwave detector and an oscilloscope that provides visual observation of the resonance curve of the ODR.

Измерительный СВЧ-тракт не имеет открытых выходов излучения и потому не представляет опасности для здоровья оператора. The measuring microwave path does not have open radiation outputs and therefore does not pose a health hazard to the operator.

Погрешность определения температурных границ фазовых переходов зависит только от погрешности измерения температуры образца, так как погрешность измерения резонансной частоты несоизмеримо мала. The error in determining the temperature boundaries of phase transitions depends only on the error in measuring the temperature of the sample, since the error in measuring the resonant frequency is incommensurably small.

На фиг. 1 приведена блок-схема измерительной установки; на фиг. 2 - кривые зависимости резонансных частот от температуры резонаторов, изготовленных из разных полимеров. In FIG. 1 shows a block diagram of a measuring installation; in FIG. 2 - curves of the dependence of the resonant frequencies on the temperature of the resonators made of different polymers.

Блок-схема измерительной установки позволяет реализовать предлагаемый способ. С выхода СВЧ-генератора 1 сигнал подают на вход развязывающего ферритового вентиля 2, с выхода которого сигнал подается на вход направленного ответвителя 3 и далее на вход поляризационного аттенюатора 4. С выхода направленного ответвителя 3 часть сигнала СВЧ через установочный аттенюатор 5 поступает на смеситель 6 преобразователя частоты 7, частота которого измеряется электронно-счетным частотомером 8. The block diagram of the measuring installation allows you to implement the proposed method. From the output of the microwave generator 1, the signal is fed to the input of the decoupling ferrite gate 2, the output of which is fed to the input of the directional coupler 3 and then to the input of the polarization attenuator 4. From the output of the directional coupler 3, part of the microwave signal through the installation attenuator 5 is fed to the mixer 6 of the converter frequency 7, the frequency of which is measured by an electronically counting frequency meter 8.

Сигнал с выхода поляризационного аттенюатора 4 подается на вход камеры тепла и холода 9 и далее по металлическому волноводу 10 поступает на возбудитель (рупорный переход) 11, где электромагнитная волна H₁₀ металлического волновода трансформируется в волну HE₁₁ диэлектрического волновода 12, и через рупорный переход 11 и вентиль 13 сигнал подается на детектор 14 и далее на вход осциллографа 15.The signal from the output of the polarization attenuator 4 is fed to the input of the heat and cold chamber 9 and then through the metal waveguide 10 it is supplied to the exciter (horn transition) 11, where the electromagnetic wave H _{10 of the} metal waveguide is transformed into the wave HE _{11 of the} dielectric waveguide 12, and through the horn transition 11 and the valve 13 signal is supplied to the detector 14 and then to the input of the oscilloscope 15.

На участке распределенной связи (воздушный промежуток между диэлектрическим волноводом 12 и ОДР 16) волна HE₁₁ возбуждает в резонаторе 16 колебания типа HE_n11.In the distributed communication section (the air gap between the dielectric waveguide 12 and the ODR 16), the HE ₁₁ wave excites HE _n11 -type oscillations in the resonator 16.

Для точной настройки частоты генератора СВЧ 1 в режиме НГ ко входу автоподстройки частоты генератора присоединяют источник постоянного напряжения 17 с плавной регулировкой. Температуру ОДР 16 измеряют с помощью германиевых и платино-родиевых термометров сопротивления 18 и цифрового омметра 19. To fine-tune the frequency of the microwave generator 1 in the NG mode, a constant voltage source 17 with smooth adjustment is connected to the input of the automatic frequency adjustment of the generator. The temperature of the ODR 16 is measured using germanium and platinum-rhodium resistance thermometers 18 and a digital ohmmeter 19.

На фиг. 2 приведены графики зависимости резонансных частот от температуры резонаторов, изготовленных из политетрафторэтилена (Ф-4) и сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (Ф-4МБ) на частотах 34,6 и 35,9 ГГц, соответственно в диапазоне температур 4,2 - 350 К. In FIG. Figure 2 shows graphs of the dependence of the resonant frequencies on the temperature of the resonators made of polytetrafluoroethylene (F-4) and a copolymer of tetrafluoroethylene with hexafluoropropylene (F-4MB) at frequencies of 34.6 and 35.9 GHz, respectively, in the temperature range 4.2 - 350 K.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом. Исследуемый резонатор помещают в вакуумированной камере тепла и холода, позволяющей измерять температуру от 4,2 до 400 К, устанавливают последовательно ряд температур, определяют резонансную частоту ОДР, строят кривую, а температурные границы фазовых переходов определяют по экстремальным точкам этой кривой. Пик резонансной кривой на экране осциллографа служит для визуального наблюдения за ходом изменения резонансной частоты и ее измерения. The proposed method can be implemented as follows. The resonator under study is placed in a vacuum chamber of heat and cold, which allows measuring temperature from 4.2 to 400 K, a series of temperatures is established in series, the resonant frequency of the ODR is determined, a curve is built, and the temperature boundaries of phase transitions are determined from the extreme points of this curve. The peak of the resonance curve on the oscilloscope screen is used to visually observe the change in the resonant frequency and its measurement.

Образец ОДР выполняется непосредственно из исследуемого полимерного материала (фторопласт-4, полиэтилен и др.). Sample ODR is performed directly from the studied polymer material (fluoroplast-4, polyethylene, etc.).

Предлагаемый способ определения температурных границ фазовых переходов может быть реализован на любой частоте в миллиметровом диапазоне волн. The proposed method for determining the temperature boundaries of phase transitions can be implemented at any frequency in the millimeter wave range.

Использование способа наиболее эффективно для исследования полимерных материалов с низкими значениями тангенса угла диэлектрических потерь (< 1•10^-4).Using the method is most effective for the study of polymeric materials with low values of the dielectric loss tangent (<1 • 10 ^-4 ).

Использование предлагаемого способа по сравнению с существующими имеет следующие преимущества:
1. Высокая точность определения резонансной частоты ОДР обеспечивает достоверность определения температурных границ фазовых переходов в полимерных материалах в процессе изменения температуры, что весьма существенно для выявления температурных режимов, при которых нельзя использовать исследуемый материал в неоднородных условиях, например в космической технике.Using the proposed method in comparison with existing has the following advantages:
1. The high accuracy of determining the resonant frequency of the ODR provides the reliability of determining the temperature boundaries of phase transitions in polymer materials in the process of temperature change, which is very important for identifying temperature conditions under which it is impossible to use the material under study in heterogeneous conditions, for example, in space technology.

2. Отсутствие механического контакта с исследуемым образцом исключает возможные нарушения структуры образца в процессе температурных воздействий, что также повышает точность полученных результатов. 2. The absence of mechanical contact with the test sample eliminates possible violations of the structure of the sample during temperature exposure, which also increases the accuracy of the results.

3. Непрерывный процесс изменения режимов и измерений, а также наглядность графика повышает оперативность при исследовании материалов. 3. The continuous process of changing modes and measurements, as well as the visibility of the graph increases the efficiency in the study of materials.

Claims

A method for determining the temperature boundaries of phase transitions in polymers, which consists in the fact that in the studied polymer sample made in the form of an open disk dielectric resonator and placed in a heat chamber, oscillations are excited in a non-contact way at low temperatures, and the temperature and the natural resonant frequency of the sample are measured simultaneously, which differs the fact that the temperature in the chamber is increased within the research range of the sample material and, according to the data obtained, the set of intrinsic ezonansnyh frequency sample corresponding to its temperature, build a curve and temperature limits home's phase transitions of the extrema of the curve.