eng
Жидкокристаллические полимеры обеспечивают высокую устойчивость к деформации, жесткость и сопротивление при растяжении и эластичность. Полимерные композиты применяются во многих отраслях, в особенности в автомобильной промышленности. В статье представлен метод исследования ориентации волокон в усиленном материале с помощью терагерцевой спектроскопии.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.32.37
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.32.37
Теги: fiber-reinforced material? thz-timedomain spectroscopy (tds) polymer compounds армированные волокном материалы полимерные компаунды терагерцевая спектроскопия с временным разрешением (тсвр)
П
олимерные материалы стали неотъемлемой частью повседневной жизни. Многие окружающие нас изделия ежедневного использования изготовлены из пластика. Полимеры все чаще заменяют металлы в качестве строительного материала. Однако для многих приложений первичный полимерный материал должен быть улучшен в отношении прочности и износостойкости. Это достигается путем смешивания полимера с добавками, к примеру, стеклом или биологическими волокнами. Такие компаунды, усиленные волокнами (далее – усиленные компаунды), демонстрируют отличные механические характеристики – низкий вес и высокое сопротивление при растяжении. примером могут служить жидкокристаллические полимеры (ЖКП), которые обеспечивают высокую устойчивость к деформации, жесткость и сопротивление при растяжении, высокую эластичность. Этот тип материалов применяется во многих отраслях, в особенности в автомобильной промышленности.
Механические свойства всех усиленных компаундов в значительной степени зависят от содержания и ориентации волокон внутри производимого материала. Информация об ориентации является особенно ценной в случаях, когда компоненты используются в системах обеспечения безопасности. Традиционные методы контроля усиленных материалов основываются на испытаниях на изгиб, растяжение и на удары. Для исследования микроструктуры полимерных материалов также используются методы оптической или электронной микроскопии. Однако все эти методы требуют времени на подготовку к исследованиям, а также частично разрушают образец. Проводить неразрушающий контроль позволяют только рентгеновские методы, но, стоит отметить, что они связаны с опасным ионизирующим излучением, и, таким образом, возникает дополнительная необходимость соблюдения специальных мер безопасности.
Электромагнитное излучение в терагерцевом (ТГц) спектральном диапазоне не является ионизирующим и используется для неразрушающей диагностики, безопасной для пользователя. С помощью метода терагерцевой спектроскопии с разрешением во времени (THz-TDS) стало возможным определять оптические параметры материала для определения количества и ориентации волокон. В данной работе представлен метод исследования ориентации волокон в усиленном материале с помощью терагерцевой спектроскопии и продемонстрирован огромный потенциал THz-TDS для качественного анализа полимерных компаундов. Методика заключается в оценке измеренного терагерцевого сигнала в определенных точках. При сканировании площади образца попиксельно создается изображение в условном цвете, отображающее угол ориентации волокон.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Многие усиленные материалы демонстрируют своего рода двулучепреломление: оптические свойства, в частности показатель преломления, зависят от поляризации и угла падения пучка терагерцевого излучения относительно исследуемого образца. Учитывая, что волокно, заполненное полимером, является диэлектрической смесью двух компонентов, этот эффект может быть использован для определения ориентации волокон. Композитные материалы могут быть описаны с помощью теории эффективной среды (ТЭС) до тех пор, пока размер частиц будет меньше, чем длина волны терагерцевого излучения (частоте в 1 ТГц соответствует длина волны 0,3 мм) [1]. ТЭС позволяет теоретически рассчитать оптические свойства, к примеру комплексную диэлектрическую проницаемость ε смеси, исходя из свойств первичных компонентов [2]. При этом теоретически рассчитанный эффективный показатель преломления зависит от первичных компонентов диэлектрической смеси, объемной доли и формы частиц.
Геометрия частиц имеет ключевое значение для исследования ориентации волокон. Частицы могут быть описаны как сильно анизотропные стержни, так что если большинство волокон ориентированы вдоль определенного направления, наблюдается макроскопическое двулучепреломление. Если имеются сведения о параметрах чистых компонентов материала, свойства компаунда могут быть описаны математически с использованием ТЭС Полдера и Ван-Сантена [1]. С помощью этой теории рассчитывается эффективный комплексный показатель преломления как функция содержания перпендикулярных, параллельных или случайно ориентированных волокон относительно поляризации ТГц-пучка. К примеру, на рис.1 построен результирующий показатель преломления при частоте 0,42 ТГц для усиленного полиэтилена высокой плотности. Различная ориентация волокон (зеленая, синяя и серая линии) приводит к изменению показателя преломления, и поляризованная терагерцевая волна будет ослабляться в соответствии с ее поляризацией относительно ориентации образца. Таким образом, путем измерения амплитуды прошедшей ТГц-волны как функции ориентации образца можно делать вывод об ориентации волокон или извлечь информацию о содержании волокон.
Терагерцевые спектрометры временного разрешения – с волоконным входом TERA K15 (рис.2) или с вводом излучения напрямую (free-space) TERA K8 производства компании Menlo Systems, работающие в геометрии на просвет, идеально подходят для проведения измерений у чувствительных к поляризации образцов. Как ТГц-излучатель, так и детектор демонстрируют достаточную линейную поляризационную селективность. Спектральный диапазон спектрометров превышает 3,5 ТГц, временной диапазон сканирования составляет более 300 пс, что идеально подходит для измерения образцов с большей толщиной. Спектрометр TERA K15 снабжен инновационной ТГц-антенной высокой мощности, это создает преимущества при измерениях образцов с большими толщинами и высоким коэффициентом поглощения.
Для поляризационных измерений образец помещают в фокус ТГц-луча. Площадь образца сканируется с использованием линейного и вращающегося транслятора. Благодаря заложенному алгоритму, физико-математические основы которого описаны в работе [2], существует возможность получить карту угловой ориентации волокон.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
При помощи ТГц-спектрометров с разрешением во времени, работающих на просвет, получено изображение поверхности жидкокристаллического полимера со стеклянными волокнами, ориентированными под четко определенными углами (ТГц-изображение представлено на рис.3). В ходе эксперимента варьировался угол ориентации образца относительно направления поляризации ТГц-луча. Визуально образец выглядел однородным при любом положении. Однако поляризационно чувствительное ТГц изображение показывает области различной ориентации волокон (рис.4) с углами в диапазоне от 0 до 90 градусов.
В заключение стоит отметить, что поляризационно чувствительная ТГц-методика является довольно эффективной для неразрушающего исследования ориентации волокон или концентрации наполнителя внутри усиленных компаундов. Методика подходит для различных видов волокон, изготовленных как из стекла, так и из биологических материалов. Позволяет она и определить свойства материала в конкретной точке или построить карту распределения ориентации волокон по всему образцу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Jцrdens C. et al. Terahertz spectroscopy to study the orientation of glass fibers in reinforced plastics. – Composites Science and Technology, 2010, 70, p. 472–477.
2. Scheller M., Wietzke S., Jansen J., Koch M. Modelling heterogeneous dielectric mixtures in the terahertz regime: a quasi-static effective medium theory. – Journal of Physics d: Applied Physics, 2009, 42, doi:10.1088/0022–3727/42/6/065415.
3. Jцrdens C. et al. Terahertz birefringence for orientation analysis. – Applied Optics, 2009, v.48, № 11.
олимерные материалы стали неотъемлемой частью повседневной жизни. Многие окружающие нас изделия ежедневного использования изготовлены из пластика. Полимеры все чаще заменяют металлы в качестве строительного материала. Однако для многих приложений первичный полимерный материал должен быть улучшен в отношении прочности и износостойкости. Это достигается путем смешивания полимера с добавками, к примеру, стеклом или биологическими волокнами. Такие компаунды, усиленные волокнами (далее – усиленные компаунды), демонстрируют отличные механические характеристики – низкий вес и высокое сопротивление при растяжении. примером могут служить жидкокристаллические полимеры (ЖКП), которые обеспечивают высокую устойчивость к деформации, жесткость и сопротивление при растяжении, высокую эластичность. Этот тип материалов применяется во многих отраслях, в особенности в автомобильной промышленности.
Механические свойства всех усиленных компаундов в значительной степени зависят от содержания и ориентации волокон внутри производимого материала. Информация об ориентации является особенно ценной в случаях, когда компоненты используются в системах обеспечения безопасности. Традиционные методы контроля усиленных материалов основываются на испытаниях на изгиб, растяжение и на удары. Для исследования микроструктуры полимерных материалов также используются методы оптической или электронной микроскопии. Однако все эти методы требуют времени на подготовку к исследованиям, а также частично разрушают образец. Проводить неразрушающий контроль позволяют только рентгеновские методы, но, стоит отметить, что они связаны с опасным ионизирующим излучением, и, таким образом, возникает дополнительная необходимость соблюдения специальных мер безопасности.
Электромагнитное излучение в терагерцевом (ТГц) спектральном диапазоне не является ионизирующим и используется для неразрушающей диагностики, безопасной для пользователя. С помощью метода терагерцевой спектроскопии с разрешением во времени (THz-TDS) стало возможным определять оптические параметры материала для определения количества и ориентации волокон. В данной работе представлен метод исследования ориентации волокон в усиленном материале с помощью терагерцевой спектроскопии и продемонстрирован огромный потенциал THz-TDS для качественного анализа полимерных компаундов. Методика заключается в оценке измеренного терагерцевого сигнала в определенных точках. При сканировании площади образца попиксельно создается изображение в условном цвете, отображающее угол ориентации волокон.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Многие усиленные материалы демонстрируют своего рода двулучепреломление: оптические свойства, в частности показатель преломления, зависят от поляризации и угла падения пучка терагерцевого излучения относительно исследуемого образца. Учитывая, что волокно, заполненное полимером, является диэлектрической смесью двух компонентов, этот эффект может быть использован для определения ориентации волокон. Композитные материалы могут быть описаны с помощью теории эффективной среды (ТЭС) до тех пор, пока размер частиц будет меньше, чем длина волны терагерцевого излучения (частоте в 1 ТГц соответствует длина волны 0,3 мм) [1]. ТЭС позволяет теоретически рассчитать оптические свойства, к примеру комплексную диэлектрическую проницаемость ε смеси, исходя из свойств первичных компонентов [2]. При этом теоретически рассчитанный эффективный показатель преломления зависит от первичных компонентов диэлектрической смеси, объемной доли и формы частиц.
Геометрия частиц имеет ключевое значение для исследования ориентации волокон. Частицы могут быть описаны как сильно анизотропные стержни, так что если большинство волокон ориентированы вдоль определенного направления, наблюдается макроскопическое двулучепреломление. Если имеются сведения о параметрах чистых компонентов материала, свойства компаунда могут быть описаны математически с использованием ТЭС Полдера и Ван-Сантена [1]. С помощью этой теории рассчитывается эффективный комплексный показатель преломления как функция содержания перпендикулярных, параллельных или случайно ориентированных волокон относительно поляризации ТГц-пучка. К примеру, на рис.1 построен результирующий показатель преломления при частоте 0,42 ТГц для усиленного полиэтилена высокой плотности. Различная ориентация волокон (зеленая, синяя и серая линии) приводит к изменению показателя преломления, и поляризованная терагерцевая волна будет ослабляться в соответствии с ее поляризацией относительно ориентации образца. Таким образом, путем измерения амплитуды прошедшей ТГц-волны как функции ориентации образца можно делать вывод об ориентации волокон или извлечь информацию о содержании волокон.
Терагерцевые спектрометры временного разрешения – с волоконным входом TERA K15 (рис.2) или с вводом излучения напрямую (free-space) TERA K8 производства компании Menlo Systems, работающие в геометрии на просвет, идеально подходят для проведения измерений у чувствительных к поляризации образцов. Как ТГц-излучатель, так и детектор демонстрируют достаточную линейную поляризационную селективность. Спектральный диапазон спектрометров превышает 3,5 ТГц, временной диапазон сканирования составляет более 300 пс, что идеально подходит для измерения образцов с большей толщиной. Спектрометр TERA K15 снабжен инновационной ТГц-антенной высокой мощности, это создает преимущества при измерениях образцов с большими толщинами и высоким коэффициентом поглощения.
Для поляризационных измерений образец помещают в фокус ТГц-луча. Площадь образца сканируется с использованием линейного и вращающегося транслятора. Благодаря заложенному алгоритму, физико-математические основы которого описаны в работе [2], существует возможность получить карту угловой ориентации волокон.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
При помощи ТГц-спектрометров с разрешением во времени, работающих на просвет, получено изображение поверхности жидкокристаллического полимера со стеклянными волокнами, ориентированными под четко определенными углами (ТГц-изображение представлено на рис.3). В ходе эксперимента варьировался угол ориентации образца относительно направления поляризации ТГц-луча. Визуально образец выглядел однородным при любом положении. Однако поляризационно чувствительное ТГц изображение показывает области различной ориентации волокон (рис.4) с углами в диапазоне от 0 до 90 градусов.
В заключение стоит отметить, что поляризационно чувствительная ТГц-методика является довольно эффективной для неразрушающего исследования ориентации волокон или концентрации наполнителя внутри усиленных компаундов. Методика подходит для различных видов волокон, изготовленных как из стекла, так и из биологических материалов. Позволяет она и определить свойства материала в конкретной точке или построить карту распределения ориентации волокон по всему образцу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Jцrdens C. et al. Terahertz spectroscopy to study the orientation of glass fibers in reinforced plastics. – Composites Science and Technology, 2010, 70, p. 472–477.
2. Scheller M., Wietzke S., Jansen J., Koch M. Modelling heterogeneous dielectric mixtures in the terahertz regime: a quasi-static effective medium theory. – Journal of Physics d: Applied Physics, 2009, 42, doi:10.1088/0022–3727/42/6/065415.
3. Jцrdens C. et al. Terahertz birefringence for orientation analysis. – Applied Optics, 2009, v.48, № 11.
Отзывы читателей
