» » Кинетика разрушения эпоксидной смолы световыми импульсами лазера длительностью 10в-3 сек
24.12.2014

Представляло интерес исследовать кинетику роста трещин в прозрачных полимерах и оценить средние скорости роста трещины и скорости скачков.
В качестве объекта исследования была выбрана эпоксидная смола. Этот материал кроме хорошей прозрачности для световых лучей обладает целым рядом преимуществ: позволяет проводить поляризационно-оптические исследования напряжений, менять модуль упругости путем добавки полиэфиров и т. д.
Экспериментальная установка для исследования кинетики разрушения должна обладать достаточно высоким разрешением по времени, так как длительность импульса лазера, использованного в работе, составляет =10в-3 сек, причем импульс состоит из 50/100 хаотически распределенных пучков длительностью 10в-6 сек каждый. Этим условиям удовлетворяет скоростной фоторегистратор СФР, позволяющий проводить киносъемку с интервалом между кадрами до 2,5*10в-6 сек (режим лупы времени), а также непрерывную бескадровую съемку процесса на определенном участке образца (режим фоторегистрации с разрешением по времени до 10в-8 сек).
Образец (плоскопараллельная пластинка) из материала на основе эпоксидной смолы размером 35X35X5 мм с отполированными гранями, предварительно отожженный, устанавливался так, чтобы луч лазера входил в центр грани размером 5X35 мм. Фокусировка лазерного луча осуществлялась с помощью линзы, фокус которой располагался в центре образца.
Энергия, излученная за один импульс, составляла около 0,3 дж. Скоростная киносъемка осуществлялась с помощью установки СФР, расположенной так, чтобы съемка велась в той области, в которой лежал луч лазера. Малая толщина образца (5 мм) в направлении съемки обеспечивала хорошую видимость внутренних трещин.
Масштаб изображения на пленке изменялся от 1:1 до 10:1. Подсветка осуществлялась импульсной лампой. Свет проходил через конденсорную и фокусирующую линзы. Лазер, лампа подсветки и СФР были связаны через блок задержки, что давало возможность сдвигать начало и конец съемки.
Съемка проводилась как на черно-белую, так и на цветную пленку. В последнем случае удалось обнаружить ряд деталей разрушения, невидимых на черно-белой пленке. Измерения на фотопленке производились с помощью проектора, дающего увеличение в 10 раз».
Типичные кадры, выбранные из кинограммы процесса разрушения эпоксидной смолы. Анализ кадров и вида образца после разрушения показал, что область разрушения состоит из линзообразных трещин различных размеров, расположенных наклонно к пути луча. Трещины образуются постепенно за время действия импульса лазера. Кроме первичных трещин иногда наблюдаются и вторичные, возникшие вследствие действия луча от ранее образовавшихся трещин. Таким образом, картина разрушения в эпоксидной смоле аналогична наблюдаемой в полиметилметакрилате.
Определение скорости роста отдельных трещин проводилось по кадрам скоростной киносъемки путем измерения длины большой оси эллипса на пленке, которая на образце является радиусом линзы разрушения. Измерение кинетики роста трещин показало, что время роста одной трещины составляет до (100+150)*10в-6 сек, т. е. не более 10+15% от времени действия импульса.
Образование и рост отдельных трещин происходят в разные периоды действия импульса лазера. Скорость роста трещины в течение первых 50*10в-6 сек составляет 10+15 м/сек, после чего рост трещины замедляется и дальнейший рост ее размеров идет со скоростью 3 м/сек. Типичная кривая роста трещины приведена на рис. 8.5,а. По-видимому, позднее образовавшиеся трещины экранируют трещины, расположенные' дальше от источника лазерного излучения, и приводят к прекращению их роста.
Метод покадровой съемки даже при максимальном разрешении (интервал между кадрами 10в-6 сек) не дает возможности обнаружить скачкообразный характер развития трещин, так как скорости скачков велики, а увеличение «размеров трещины в результате одного скачка незначительно.
Метод непрерывной съемки (фоторегистрация) имеет необходимое разрешение, но экспериментальное осуществление его и расшифровка полученных данных встречают значительные трудности. Прицельная съемка проводилась путем совмещения щели фоторегистратора с проекцией того места на образце, где ожидалось появление одной из трещин. При многократном повторении опыта несколько раз удалось получить непрерывную съемку отдельной трещины. Проекция трещины при этом является полосой на кинограмме, ширина полосы соответствует размеру трещины.
Из анализа кинограмм следует несколько важных выводов. С точностью до разрешения, даваемого оптической системой и эмульсией пленки, можно утверждать, что трещина имеет минимальные размеры (около 0,03 мм) и приобретает их сразу после образования. Отметим, что существование минимальных размеров трещин подсказано теорией. Скачкообразное развитие трещин действительно наблюдается при лазерном воздействии.
Кинетика разрушения эпоксидной смолы световыми импульсами лазера длительностью 10в-3 сек

Скорости скачков (рис. 8.5,б) велики и достаточно стабильны — 150/180 м/сек. Основная часть длины трещины возникает за счет скачков и лишь незначительная — за счет постепенного её роста. В связи с этим интересно привести результаты исследования поверхности лазерных трещин в прозрачных полимерах с помощью профилографа, микроскопа Линника и микроинтерферометра, т. е. приборов с разрешением от 10 до 0,01 мкм. Такое исследование показывает, что на поверхности разрушения в полиметилметакрилате при всех использованных увеличениях наблюдается система волн, т. е. на волны с большей амплитудой наложено несколько систем волн с уменьшающейся на несколько порядков амплитудой.
Этот результат позволяет предположить, что «постепенный» рост трещин, наблюдаемый на кинограмме, в действительности также является скачкообразным с амплитудами скачков, на один или несколько порядков меньшими, чем у скачков, наблюдаемых на пленке. На цветных кинопленках удалось заметить изменение интерференционных цветов на поверхности трещин во время их роста, что указывает на изменение расстояния между прилегающими поверхностями трещин, а также на различие в расстояниях между этими поверхностями в центральной части и на периферии трещины.
Наконец, рассмотрим возможную связь между пичковой структурой лазерного импульса и скачками при росте трещины. Общее время всего импульса приближенно равно 1000*10в-6 сек, количество пичков около 100, т. е. интервал между пичками составляет 10*10в-6 сек. Время основного роста одной трещины около 50*10в-6 сек, т. е. за это время может пройти около пяти пичков, что по порядку величины согласуется с числом скачков, наблюдаемых на фоторазвертке.
Следует, однако, отметить, что специальные опыты показывают отсутствие прямой связи между пичковой структурой импульса лазера и разрушением. Действительно, облучение эпоксидной смолы непрерывным импульсом той же продолжительности дает такой же характер разрушения, как и облучение дискретным импульсом лазера.
По кадрам скоростной киносъемки была измерена длина области разрушения, т. е. расстояние между крайними трещинами. Результаты таких измерений приведены на рис. 8.5,в.
Из графика видно, что размеры области разрушения быстро растут в течение 50*10в-6 сек. Скорость роста области разрушения в этом интервале составляет в среднем 100 м/сек. После этого область разрушения еще около 100*10в-6 сек растет со сравнительно небольшой скоростью 20 м/сек. Отметим, что появление видимых первых трещин происходит с некоторой задержкой после образования изменений в месте появления трещины, что видно на цветной пленке. Величина задержки имеет порядок 10*10в-6 сек.
По кадрам скоростной съемки была также измерена площадь всех трещин, видимых с увеличением в 10 раз на каждом кадре пленки. Результаты измерений приведены на рис. 8.5,в. Из графика видно, что площадь растет пропорционально времени действия лазерного луча и скорость роста площади равна примерно 0,1 м2/сек. При этом в начале действия лазера площадь растет за счет образования новых трещин, тогда как в конце — в основном за счет дальнейшего роста старых трещин. Последнее хорошо видно из того же графика, где показано общее количество образовавшихся трещин во времени.
В сводной табл. 8.2 приведены измеренные параметры кинетики разрушения эпоксидной смолы лучом лазера.
Кинетика разрушения эпоксидной смолы световыми импульсами лазера длительностью 10в-3 сек

Результаты работы позволяют предположить следующий механизм разрушения эпоксидной смолы световым импульсом лазера.
После начала действия импульса в области, близкой к точке фокусировки луча, возникают изменения в структуре материала (образование газовых пузырей), приводящие к образованию первой трещины фиксированных минимальных размеров. Рост трещины сначала идет быстро, а затем замедляется по мере экранирования ее другими трещинами.
Обнаружен предсказанный теорией скачкообразный рост трещин, причем скорости скачков на порядок больше скорости роста трещин в том же интервале. Общая площадь разрушения растет линейно со временем, причем в начале процесса в основном за счет увеличения числа трещин, а в конце — за счет дальнейшего роста образовавшихся трещин.