Способ ультразвукового контроля твердости полимеров
METHOD OF ULTRASOUND CONTROL OF HARDNESS OF POLYMERS

Изобретение относится к области диагностики полимеров неразрушающими методами и может быть использовано для определения твердости полимеров по Шору в шинной промышленности и промышленности синтетического каучука.
Твердость по Шору - один из методов измерения твердости материалов и используется для измерения твердости низкомодульных материалов, как правило, полимеров: пластмасс, эластомеров, каучуков и продуктов их вулканизации.
Метод позволяет измерять глубину начального вдавливания, глубину вдавливания после заданных периодов времени или и то и другое вместе. Метод является эмпирическим испытанием, поэтому не существует простой зависимости между твердостью, определяемой с помощью данного метода, и каким-либо фундаментальным свойством испытуемого материала.
Широкое распространение нашел способ определения структуры, упругих свойств или состава материалов по изменению величины затухания ультразвуковых волн либо по изменению скорости их распространения в исследуемом теле [а.с. СССР № 77708].
Этот способ предложен для определения характеристик металлов и неточен при определении свойств и состава полимерных материалов.
Известен способ определения физико-механических характеристик, включающий излучение импульсов ультразвуковых колебаний (УЗК) излучателем, прием импульсов, прошедших в конструкции, приемником, измерение скорости их распространения в плоскости конструкции и затухания УЗК путем измерения сдвига основных составляющих спектра принятых многократно прошедших по толщине импульсов относительно излученных, по которым, используя ранее полученные уравнения регрессии или тарировочные графики, построенные на их основе, определяют искомые характеристики [а.с. СССР № 808930, БИ 8 - 81 г.].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ ультразвукового контроля предела прочности полимеров при разрыве полимеров [патент РФ №2319957, заявка №2006107831/28 от 15.03.2006, МПК 7 G01N 29/00 - прототип].
Указанный способ ультразвукового контроля предела прочности при разрыве полимеров включает излучение импульсов ультразвуковых колебаний излучателем, прием импульсов, прошедших образец, приемником, измерение скорости их распространения и коэффициента затухания ультразвуковых колебаний, при этом в результате параметрической идентификации модели определяют значения коэффициентов P и m, индивидуальные для каждой марки полимера, и на основе измеренных параметров ультразвуковых колебаний рассчитывают предел прочности при разрыве образца полимера по формуле:
,
2
3
-1
-1
где σ - предел прочности при разрыве, кгс/см; ρ - плотность полимера, кг/см; h - толщина образца, см; с - скорость ультразвука, см/с; α - коэффициент затухания ультразвука, см; ω - частота ультразвуковых колебаний, с.
Недостатком данного способа является то, что этот способ не позволяет определять твердость полимера по Шору, Sh, т.е. имеет узкий диапазон применения.
Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа ультразвукового определения твердости полимеров по Шору за счет использования измеренных скорости и коэффициента затухания ультразвуковых колебаний (УЗК).
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе ультразвукового контроля твердости полимеров, заключающемся в том, что испытуемый образец размещают между излучателем и приемником ультразвуковых колебаний, после чего подают с генератора электрический сигнал определенной частоты и длительности на упомянутый излучатель ультразвуковых колебаний с последующим приемом импульсов ультразвуковых колебаний, прошедших образец, при помощи приемника, с измерением скорости их распространения и определением коэффициента затухания, зависящего от расстояния между поверхностями излучателя и приемника, для каждого конкретного испытуемого образца, с дальнейшим их преобразованием в электрический сигнал с амплитудой, зависящей от свойств образца, согласно изобретению одновременно с подачей и приемом ультразвуковых колебаний, электронным штангенциркулем измеряют расстояние между поверхностями излучателя и приемника, равное толщине сжатого образца, затем определяют константы, индивидуальные для полимера одной марки при заданной частоте измерения и толщине испытуемого образца, после чего определяют твердость полимера по Шору по формуле:
1
2
Sh=B/α+B,
-1
эксп
эт
1
2
где Sh - твердость полимера по Шору, ед. Шора; α - коэффициент затухания, м; В и В - константы, определяемые методом наименьших квадратов экспериментально по измерениям коэффициента затухания α в полимере ультразвуковым способом Sh и эталонным методом Sh (твердомером Шора тип А ТВР-А), в соответствии с критерием:
где i - номер опыта.
Сущность предложенного ультразвукового метода заключается в том, что, по коэффициенту затухания УЗК, зависящему от химического строения, структуры и молекулярной подвижности полимера, определяют твердость полимера.
Известно, что величина добротности (Q) колебательной системы «преобразователь - индентор - материал», по которой судят о твердости полимера, связана с коэффициентом затухания [Голямина И.П. Ультразвук, маленькая энциклопедия [Текст] / И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.]:
-1
где ω - частота измерения; α - коэффициент затухания, м.
2
Поскольку добротность связана с коэффициентом затухания уравнением (2), то для перевода между различными единицами твердости можно использовать некоторые масштабные коэффициенты , В:
2
где  и В - константы, определяемые экспериментально методом наименьших квадратов при заданной частоте измерения и толщине испытуемого образца.
После преобразований связь твердости по Шору A (Sh, ед. Шор А) полимеров с акустическими характеристиками материала при некоторой фиксированной частоте излучения имеет вид:
1
2
где В и В - константы, определяемые экспериментально методом наименьших квадратов при заданной частоте измерения и толщине испытуемого образца.
Коэффициент/степень затухания ультразвука определяется по следующей формуле [Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров [Текст] / И.И. Перепечко. - М.: Химия, 1973. - 296 с.]:
изл
пр
где А - амплитуда сигнала на источнике излучения, В, А - амплитуда сигнала на приемнике, В, h - толщина образца, см.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема, реализующая предлагаемый способ, на фиг. 2 - график твердости с нанесенными экспериментальными и расчетными значениями.
Экспериментальные данные обозначены знаком «х», расчетные данные - «-».
В таблице 1 приведены экспериментальные и расчетные зависимости твердости по Шору от величины коэффициента затухания ультразвука.
На фиг. 1 обозначены: 1 - генератор, 2 - излучающий пьезопреобразователь, 3 - исследуемый образец, 4 - приемник, 5 - цифровой осциллограф, 6 - вычислительное устройство.
Предложенный способ может быть реализован следующим образом.
Исследуемый образец 3 помещают между излучателем 2 и приемником 4. С генератора 1 электрический сигнал определенной частоты и длительности подается на излучатель 2, ультразвуковой импульс с которого, пройдя образец 3, попадает в приемник 4 и преобразуется в электрический сигнал с амплитудой, зависящей от свойств образца. Электрические сигналы с генератора 1 и приемника 4 подаются на цифровой осциллограф 5, а затем данные с осциллографа подаются на вычислительное устройство 6. Электронным штангенциркулем измеряют толщину образца h и вводят в вычислительное устройство 6. После обработки данных осциллографа рассчитывается величина коэффициента затухания ультразвука и величина твердости полимера по Шору.
Пример конкретного применения способа
1
2
Для образцов марки полимера СКС-30 толщиной 2 мм, прозвучиваемых на частоте 2,5 МГц при температуре 293 K с амплитудой 28 В, в результате аппроксимации методом наименьших квадратов были получены значения коэффициентов B=3158 и B=49,8. Коэффициент корреляции равен 0,878, средняя абсолютная ошибка 1,79 ед. твердости по Шору, средняя относительная ошибка 3,5%, что говорит о тесной корреляционной связи и высокой точности определения твердости по Шору. Экспериментальные и расчетные зависимости твердости по Шору от величины коэффициента затухания ультразвука приведены в таблице 1 и на фиг. 2 соответственно.
В примере параметрическая идентификация осуществлена компьютерной обработкой данных экспериментов, проводившейся минимизацией целевой функции (суммы квадратов отклонений расчетных значений твердости по Шору от экспериментальных) численным методом градиента.
Использование предложенного технического решения позволит определять твердость полимеров по Шору ультразвуковым методом с использованием пары ультразвуковых пьезопреобразователей и данных о зависимости твердости по Шору полимера от коэффициента затухания ультразвука.