УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МИКРО- И НАНО-ЧАСТИЦ В МАЛОРАЗМЕРНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ОБЪЕКТАХ И ПЛЕНКАХ

Широкое распространение и внедрение полимеров в самых инновационных и высокотехнологичных производствах делает особенно важной задачу разработки новых методов и устройств для контроля качества полимерных заготовок и изделий. Эта задача включает, в частности, проблему диагностики количества и состава примесей, неизбежно присутствующих в каждом полимерном блоке заготовок. Если при использовании полимеров в для производства "грубых" изделий, таких как корпуса бытовых приборов, различные объемные детали, элементы мебели и т.п. наличием в полимерах малых - количеств загрязняющих примесей обычно можно пренебречь, то в высокотехнологичных, инновационных, изделиях, применяемых, в частности, в микроэлектронике, фармакологии, в авиастроении, при создании физических приборов и т.п.определение наличия малых примесей в полимерных изделиях становится критически важной задачей даже на уровне формирования заготовки термопласта.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи определения наличия и количества электропроводящих примесей в заготовках малоразмерных; полимерных изделий, т.е. имеющих достаточно малые размеры для помещения в небольшие СВЧ (Microwave) резонаторы, в простейшем случае - стандартные СВЧ-печи. При этом верхний предел точности измерения размеров проводящих примесей в рассматриваемых изделиях определяется соотношением размеров частиц и их удаленностью от поверхности заготовки (или ее толщиной), а времена установления теплового равновесия- масштабом, задаваемым температуропроводностью материала заготовки. Другим важным параметром, влияющем на точность измерений, является время наблюдения и точность определения локальных значений изменения температуры на поверхности изделия, даваемой тепловизором после завершения стадии разогрева проводящих включений.
Полезная модель использует новое качество, возникающее при сочетании трех известных приборов и вакуумной технологии, а именно, генератора СВЧ с соответствующим согласованным резонатором с отверстием для испытуемого образца, служащего для быстрого локального разогрева частиц - проводящих примесей, поворотного устройства, позволяющего наблюдать одновременно (периодически считывать информацию о распределении температуры на поверхности) всю поверхность заготовки, и тепловизора, снабженного выводом теплового изображения на ЭВМ, используемого для контроля динамики температурных пятен, возникающих вследствие неоднородного (за счет выхода на поверхность тепловых потоков от нагретых примесных частиц) разогрева поверхности изделия при наличии проводящих включений. Предельно высокая точность измерений может быть достигнута при помещении наблюдаемой заготовки после СВЧ разогрева в вакуум. В этом случае дополнительных конвективных утечек тепла с образца происходить не будет (энергетикой излучаемого теплового потока при обычных «полимерных» температурах можно пренебречь), а по отслеживанию динамики выхода температурных потоков на поверхность в отсутствие других теплопотерь можно в большинстве случаев достаточно надежно решить обратную задачу, т.е. определить число, размеры и положение дискретных частиц. Если же частиц много, то можно оценить статистические параметры распределения частиц по образцу, по размерам, полную массу и т.д. Таким образом, указанное новое качество состоит в возможности получения достоверной экспресс оценки наличия и количества электропроводящих примесей внутри малоразмерных диэлектрических полимерных заготовок и пленок за счет нагрева электропроводящих примесей СВЧ излучением. Анализируя метод более детально, отметим, что в случае, когда проводящие примеси представляют собой малые локализованные образования, например, металлические либо иные хорошо проводящие частицы (далее просто "частицы"), воздействие СВЧ-излучения приводит к нагреву последних при отсутствии нагрева собственно диэлектрического полимерного материала изделия, после чего тепло от нагретых частиц по диффузионному закону начинает распространяться к поверхности изделия. В результате, если число примесных частиц достаточно мало, через некоторое характерное время диффузии, зависящее от толщины и температуропроводности образца, на его поверхности образуется неоднородное распределение температуры, которое наблюдается на экране тепловизора в виде пятенной структуры, причем число пятен пропорционально числу частиц вблизи поверхности изделия.
В каждом конкретном случае оптимальное время наблюдения зависит от структуры изделия и характерных размеров проводящих частиц. В частности, наиболее удобными для наблюдения указанным устройством являются образцы в виде тонких полимерных пленок, при исследовании электрофизических характеристик которых отсутствие загрязняющих примесей является критически важным [1, 2]. В случае пленочных образцов пятнистая структура возникает наиболее быстро и при оптимальном выборе времени наблюдения может в точности повторять распределение по пленке проводящих частиц, поскольку перекрытие пятен, связанное с диффузией тепла по объему образца в данном случае менее существенно, чем для объемных образцов более сложной формы.
Список литературы
1. Д.В.Власов, Л.А.Апресян, Т.В.Власова, В.И.Крыштоб. Нелинейный отклик и два устойчивых состояния электропроводности в пластифицированных прозрачных поливинилхлоридных пленках// Письма в ЖТФ. 2010. Том 36. Вып.19. С.100-106.
2. D.V.Vlasov, L.A.Apresyan, V.I.Krystob, T.V.Vlasova. On the mechanisms of switching between two steady states of electroconductivity in plasticized transparent PVC films// ArXiv:1003.5482v1.