ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОПИТКИ ИЗДЕЛИЙ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

 

ТИЩЕНКО Владислав Сергеевич              

 Грибова Виктория Сергеевна,

                                                                                                                                                         Кузнецов Дмитрий Михайлович,  доктор технических наук

                                                                                                     

 

Известно, что, все процессы, так или иначе связанные с образованием газовой фазы в жидкости (кипение, пропитка, кавитация и т.д. должны сопровождаться генерацией акустических сигналов [1].

Одним из таких процессов, получивших широкое распространение, является импрегнирование. В настоящее время этот процесс используется в различных сферах машиностроения (пропитка электродвигателей изоляционным лаком),  в огнеупорной промышленности и металлургии (пропитка графитируемых электродов каменноугольным пеком), строительстве и транспорте (пропитка изделий из древесины). В процессе импрегнирования жидкость (импрегнат) проникает в поры твердого тела, вытесняя газовую среду. В случае достаточно крупнопористого материала процесс вытеснения  жидкостью газа может быть слышен даже в звуковом диапазоне. При применении высоковязких жидких сред и микропористого материала  этот процесс уже находится вне рамок звукового диапазона (20 гц÷20 кГц), но даже в этом случае, как показано в работе [1], наблюдается явление индуцирования акустических сигналов уже в ультразвуковом диапазоне частот.

Механизм генерации акустических сигналов в этом случае объясняется следующим образом. При пропитке единичного капилляра и вытеснения  микроскопического пузырька газа в жидкость происходит отрыв и схлопывание пузырька, т.е процесс разрежения и уплотнение среды, а следовательно, - образование волн напряжения. Возбуждаемая единичная  акустическая волна настолько имеет слабую энергию, что вследствие процессов затухания в жидкой среде ее энергия практически не доходит до поверхности. Но в том случае, если этот процесс имеет место в достаточно крупном образце с множеством пор, то в этом случае происходит усиление акустического сигнала, что следует из известных формул акустических расчетов /2/, а, следовательно, становится возможна регистрация акустических колебаний.

          Экспериментально установлено, что при пропитке пористых материалов (минеральные образцы, ткани, металлические изделия сложной формы) индуцируются сигналы акустической эмиссии в частотном диапазоне 100-500 к Гц. Генерируемые в процессе пропитки сигналы АЭ имеют характерную динамику, которая в свою очередь определяется как реологией импрегната, так и пористой структурой импрегнируемого тела. Немаловажную роль играет также и смачиваемость материала и внешние условия, такие как величина предварительного вакуумирования и давление  при пропитке. Поэтому  всестороннее изучение  этих взаимосвязей достаточно трудоемкая и длительная задача. В связи с вышеизложенным целью настоящей работы являлось продолжение изучения явления акустической эмиссии (АЭ) в процессе импрегнирования мелкопористых веществ. Для моделирования условий пропитки в качестве модельного образца использовалась алюмооксидная  керамика g-Al2O3, а в качестве импрегната  - дистиллированная вода.

Некоторые данные о параметрах пористой структуры алюмооксидных образцов представлены в табл. 1.

 

Таблица 1 - Структурные характеристики алюмооксидных образцов g-Al2O3 (ИК-02-200)

Носитель

Объём пор (Vr), см3/г

Удельная поверхность, м2/г

Радиус пор, нм

g-Al2O3

(ИК-02-200)

0,71

200

R1=40.0 (V1=0.15)

R2<4.0 (V2=0.50)

 

       Проведенные авторами дополнительные исследования показали, что  суммарный счет сигналов АЭ в процессе пропитки и после ее окончания  никогда не остается неизменным. Причина этого в том, что на индуцирование акустических сигналов влияет движение и схлопывание газовых пузырьков, вытесненных жидкостью из объема изделия на стадии пропитки.   В случае использования в качестве импрегната (пропитывающего агента) вязких жидкостей процесс движения газовых пузырьков  продолжается еще длительное время. Поэтому приводимый авторами в работе /1/ график  изменения суммарного счета в процессе пропитки при внимательном рассмотрении оказывается не неизменным, а стабильно растущим, пусть и с медленной скоростью, что и иллюстрируют приводимые ниже графики (фиг.1 а и б). На фиг. 1(а)  показан известный график изменения суммарного счета сигналов акустической эмиссии (АЭ) и увеличенный масштаб (б)  «неизменного» участка суммарного счета сигналов АЭ этого же графика. Из приведенного графика фиг. 1(б)  видно, что и спустя час после начала пропитки регистрируются сигналы АЭ. Поэтому судить об окончания стадии пропитки по параметру «суммарного счета сигналов АЭ» не может быть признано технически достоверным.

 

Рис.1  Динамика изменения суммарного счета, энергии и активности сигналов АЭ во времени при пропитке керамических образцов

 

Дополнительные исследования позволили установить, что параметрами, наиболее точно регистрирующими  момент окончания пропитки, являются не суммарный счет сигналов, а энергия сигналов и  длительность сигналов (Рис1.).  Причина этого в следующем. Сигналы АЭ в начальной стадии пропитки, в процессе насыщения пор жидкостью и после окончания  пропитки имеют разную природу.

В начальной стадии пропитки  жидкость заполняет крупные поры, поэтому вытесняемые газовые пузырьки имеют сравнительно большие размеры и индуцируют сигналы с относительно высокой энергией и длительностью. В процессе насыщения жидкостью  более мелких пор изделия индуцированные акустические сигналы отличаются большим числом, сравнительно малой энергией и длительностью. Чем меньше  размер пор  изделия, тем  меньше размер вытесняемых газовых пузырьков и меньше  энергия АЭ. Поскольку импрегнату (пропитывающей жидкости) трудно проникнуть в мелкие поры, этот процесс  идет медленно и по мере завершения пропитки  энергия и длительность сигналов АЭ  постепенно уменьшаются.

Однако, прекращение вытеснения газов из пор, (что собственно и означает окончание пропитки) также сопровождается индуцированием сигналов АЭ, но уже с высокой энергией и  большой длительностью. В приводимом примере показано, что если в ходе пропитки энергия сигналов АЭ не превышала 65 дБ и на ее завершающей стадии варьировалась в диапазоне 55-60 дБ, а длительность сигналов АЭ  в этот период не превышала 50-150 мкс, то после окончания пропитки  энергия АЭ достигла значений в 66-68 дБ, длительность сигналов превышала 200 мкс и достигала значений в 600 и более мкс.

  Природа образования высокоэнергетическх сигналов АЭ связана с агрегацией уже выделившихся газовых пузырьков и увеличением их размеров. Количество сигналов АЭ становится существенно меньше, а энергия и длительность выше. Установлено, что энергия и длительность сигналов АЭ превышает значения названных параметров АЭ в ходе всего процесса пропитки. Таким образом, можно сделать вывод, что в случае появления сигналов АЭ с большой длительностью и энергией, превышающих стандартные значения длительности и энергии, эти параметры точно свидетельствуют об изменении основного механизма индуцирования сигналов АЭ и свидетельствуют о прекращении вытеснения газов из изделия, а характеризуют процесс слипания газовых пузырьков в объеме жидкости и превалировании этого процесса над движением отдельных пузырьков газа в порах изделия.

 

Работа была выполнена в рамках гранта РФФИ № 12-08-01190-а

 

 

Литература

1. Д.М.Кузнецов, А.Н.Смирнов Акустическая эмиссия в жидкости при физико-химических  процессах дегазации // http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2006-11-13-001.pdf

     2. Кузнецов Д.М., Смирнов А.Н.  Математическое обоснование возможности регистрации явления акустической эмиссии в жидкости // в сб. Математические методы в технике и технологиях – ММТТ -20: Сб.тр. 20-й междунар.науч.конф. – Ярославль:2007-С 65-67