КВАЗИОПТИЧЕСКАЯ РЕЗОНАТОРНАЯ ДИАГНОСТИКА ПОЛИМЕРНОГО ВОЛОКНА
|
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Обзор литературы 10
1.1 Методы исследования электрофизических свойств материалов и
объектов в СВЧ - диапазоне 10
1.2 Открытый резонатор, его свойства и применение для исследования
объектов 11
1.3 Открытый резонатор с плоскопараллельным включением 14
1.4 Открытый резонатор с цилиндрическим включением 15
1.5 Полимерные материалы для 3D печати и их диэлектрические свойства
в микроволновом диапазоне 17
2 Открытый резонатор с тонким диэлектрическим цилиндром.
Математическое моделирование 25
2.1 Адаптация существующей математической модели ОР с тонким
диэлектрическим цилиндром 25
2.2 Расчет спектральных характеристик основных типов колебаний ОР с
диэлектрическим цилиндром 30
3 Апробация и границы применимости модели открытого резонатора с
полимерными цилиндрами в диапазоне частот 8 - 16 ГГц 32
3.1 Экспериментальная установка 32
3.2 Измерения спектральных характеристик ОР с диэлектрическим
волокном 33
2.3 Влияние мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости
объектов на комплексное изменение частоты открытого резонатора 35
3.3 Измерения спектральных характеристик ОР с композиционным
радиоматериалом 36
4 Исследование возможности диагностики полимерного волокна в открытом
резонаторе в динамическом режиме 44
4.1 Оценка влияния дефектов волокна в виде локального изменения диаметра на спектральные характеристики основных типов ОР 44
4.2 Апробация одночастотного устройства для контроля филаментов 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 52
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Обзор литературы 10
1.1 Методы исследования электрофизических свойств материалов и
объектов в СВЧ - диапазоне 10
1.2 Открытый резонатор, его свойства и применение для исследования
объектов 11
1.3 Открытый резонатор с плоскопараллельным включением 14
1.4 Открытый резонатор с цилиндрическим включением 15
1.5 Полимерные материалы для 3D печати и их диэлектрические свойства
в микроволновом диапазоне 17
2 Открытый резонатор с тонким диэлектрическим цилиндром.
Математическое моделирование 25
2.1 Адаптация существующей математической модели ОР с тонким
диэлектрическим цилиндром 25
2.2 Расчет спектральных характеристик основных типов колебаний ОР с
диэлектрическим цилиндром 30
3 Апробация и границы применимости модели открытого резонатора с
полимерными цилиндрами в диапазоне частот 8 - 16 ГГц 32
3.1 Экспериментальная установка 32
3.2 Измерения спектральных характеристик ОР с диэлектрическим
волокном 33
2.3 Влияние мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости
объектов на комплексное изменение частоты открытого резонатора 35
3.3 Измерения спектральных характеристик ОР с композиционным
радиоматериалом 36
4 Исследование возможности диагностики полимерного волокна в открытом
резонаторе в динамическом режиме 44
4.1 Оценка влияния дефектов волокна в виде локального изменения диаметра на спектральные характеристики основных типов ОР 44
4.2 Апробация одночастотного устройства для контроля филаментов 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 52
Актуальность. SD-печать - это быстрорастущая технология, применяемая во многих отраслях, таких как аэрокосмическая, автомобильная, здравоохранение или индустрия моды [1-2]. Идеально может использоваться для прототипирования исследовательскими группами или для изготовления небольших серий продукции. Самые большие преимущества SD-печати - это скорость изготовление и разнообразие возможностей печати в отличие от традиционного производства, Моделирование наплавленного осаждения (FDM) - один из методов SD-печати, который в основном использует термопластические материалы. Его принцип прост, и в целом он может печатать на любом плавящемся материале, который в последствии снова затвердевает. Очевидно, что существуют требования к его вязкости в жидком состоянии, чтобы добиться хорошей адгезии к печатной основе и когезии слоев. Стандартное использование FDM материал в виде нити, поставляемой на катушке (нити). Обычно используемые материалы: термопластичные полимеры, такие как акрилонитрилбутадиенстирол (ABS),
полиэтилентерефталатгликоль-модифицированный (ПЭТ-G), полимолочная кислота (PLA), полиамид (нейлон), сополиэфир (CPE), поликарбонат (ПК) и др. [3]. Добавление наполнителей из углеродных нанотрубок (УНТ) позволяет повысить тепловую проводимость, механическую прочность и долговечность 3D печатных композитов для многих применений. Кроме того, электропроводящие полимерные нанокомпозиты модифицируют
комплексную диэлектрическую проницаемость полимеров, повышая их электропроводность. Производство филаментов происходит путем экструзии композитного материала на основе полимеров и модификаций углерода, таких как многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ). В процессе изготовления филаментов можно выделить несколько основных этапов: выбор
компонентов, смешивание материалов, гомогенизация и дальнейшее экструдирование. Однако при данном методе изготовления возникает сложность обеспечения однородности филаментной нити. В случае композитных материалов возможно наличие не только неоднородностей диаметра, но также и неоднородностей, связанных с неравномерным распределением наполнителя на различных участках нити. Неоднородности материала негативно сказываются на качестве напечатанного изделия. Поэтому при производстве существует необходимость контроля качества изготавливаемого филамента.
При рассмотрении филаментной нити с точки зрения взаимодействия с электромагнитной волной, нить представляет собой тонкий протяженный диэлектрический цилиндр. Небольшой диаметр цилиндра, добавляет необходимость использования коротковолнового излучения. В СВЧ диапазоне применяются резонаторные методы. Резонаторные методы обладают высокой чувствительностью к изменению параметров с малыми размерами. При исследовании объектов коротковолновой части СВЧ-диапазона обычно используют открытые резонаторы (ОР).
Цель работы: определение связи параметров открытых резонаторов с параметрами одно- и двухкомпонентных (композиционных) полимерных волокон, применяемых в трехмерных печатающих устройствах.
Задачи работы. Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Аналитический обзор литературных источников.
2. Моделирование влияния потерь полимерного волокна на спектральные характеристики открытого резонатора.
3. Подготовка однокомпонентных полимеров и композиционных волокон.
4. Проведение экспериментальных исследований открытых
резонаторов с образцами однокомпонентного полимерного волокна.
5. Проведение экспериментальных исследований открытых
резонаторов с образцами композиционного полимерного волокна.
6. Анализ полученных экспериментальных результатов и написание ВКР.
Объект и предмет исследования: объектами исследования являются процессы взаимодействия электромагнитных пучков открытого резонатора с однокомпонентными и композиционными тонкими диэлектрическими цилиндрами. В качестве предмета исследования выступает открытый резонатор с однокомпонентными и композиционными тонкими диэлектрическими цилиндрами в диапазоне частот от 8 до 16 ГГц.
Метод исследования: Аналитическое и численное моделирование открытого резонатора с тонким диэлектрическим включением. Экспериментальное исследование открытых резонаторов с образцами полимерных волокон.
Научные положения, выносимые на защиту:
3) Предложенная модель квазиоптического ОР с погрешностью не более 12,5% описывает связь сдвига частоты основных типов колебаний с действительной частью комплексной диэлектрической проницаемости вносимого волокна диаметром 1,8 мм в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
4) Влияние мнимой части диэлектрической проницаемости вносимого волокна диаметром 1,8 мм в диапазоне от 0,01 до 0,2 сводится к изменению сдвигов резонансной частоты открытого резонатора не более чем на 4%.
Научная новизна.
1) Проведена экспериментальная апробация и показана адекватность модели ОР с тонким цилиндром для полимерных образцов диаметром до 1.8 мм в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
2) Показана возможность оценки действительной части комплексной диэлектрической проницаемости материала волокна по измерениям сдвига частоты основных типов колебаний открытого резонатора в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
Практическая значимость результатов работы. Полученные результаты могут быть использованы при создании метода измерения диэлектрической проницаемости полимерных цилиндрических объектов в открытом резонаторе, а также при разработке устройств для неразрушающей резонаторной диагностики диэлектрических волокон.
Апробация работы. Основные результаты выполненной работы были представлены:
а) на шестнадцатой Всероссийской конференции студенческих научноисследовательских инкубаторов (СНИИ-2019) (г. Томск, 2019);
б) на всероссийском конкурсе студенческих проектов «Радиофизика и электроника» (г. Томск, 2021);
в) на восемнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (СНИИ-2021) (г. Томск, 2019);
г) в материалах IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, (Scopus);
Выражаю благодарность сотрудникам института катализа СО РАН Кузнецову Владимиру Львовичу и Мосеенкову Сергею Ивановичу за предоставленные образцы композиционных филаментов для 3D печати.
полиэтилентерефталатгликоль-модифицированный (ПЭТ-G), полимолочная кислота (PLA), полиамид (нейлон), сополиэфир (CPE), поликарбонат (ПК) и др. [3]. Добавление наполнителей из углеродных нанотрубок (УНТ) позволяет повысить тепловую проводимость, механическую прочность и долговечность 3D печатных композитов для многих применений. Кроме того, электропроводящие полимерные нанокомпозиты модифицируют
комплексную диэлектрическую проницаемость полимеров, повышая их электропроводность. Производство филаментов происходит путем экструзии композитного материала на основе полимеров и модификаций углерода, таких как многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ). В процессе изготовления филаментов можно выделить несколько основных этапов: выбор
компонентов, смешивание материалов, гомогенизация и дальнейшее экструдирование. Однако при данном методе изготовления возникает сложность обеспечения однородности филаментной нити. В случае композитных материалов возможно наличие не только неоднородностей диаметра, но также и неоднородностей, связанных с неравномерным распределением наполнителя на различных участках нити. Неоднородности материала негативно сказываются на качестве напечатанного изделия. Поэтому при производстве существует необходимость контроля качества изготавливаемого филамента.
При рассмотрении филаментной нити с точки зрения взаимодействия с электромагнитной волной, нить представляет собой тонкий протяженный диэлектрический цилиндр. Небольшой диаметр цилиндра, добавляет необходимость использования коротковолнового излучения. В СВЧ диапазоне применяются резонаторные методы. Резонаторные методы обладают высокой чувствительностью к изменению параметров с малыми размерами. При исследовании объектов коротковолновой части СВЧ-диапазона обычно используют открытые резонаторы (ОР).
Цель работы: определение связи параметров открытых резонаторов с параметрами одно- и двухкомпонентных (композиционных) полимерных волокон, применяемых в трехмерных печатающих устройствах.
Задачи работы. Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Аналитический обзор литературных источников.
2. Моделирование влияния потерь полимерного волокна на спектральные характеристики открытого резонатора.
3. Подготовка однокомпонентных полимеров и композиционных волокон.
4. Проведение экспериментальных исследований открытых
резонаторов с образцами однокомпонентного полимерного волокна.
5. Проведение экспериментальных исследований открытых
резонаторов с образцами композиционного полимерного волокна.
6. Анализ полученных экспериментальных результатов и написание ВКР.
Объект и предмет исследования: объектами исследования являются процессы взаимодействия электромагнитных пучков открытого резонатора с однокомпонентными и композиционными тонкими диэлектрическими цилиндрами. В качестве предмета исследования выступает открытый резонатор с однокомпонентными и композиционными тонкими диэлектрическими цилиндрами в диапазоне частот от 8 до 16 ГГц.
Метод исследования: Аналитическое и численное моделирование открытого резонатора с тонким диэлектрическим включением. Экспериментальное исследование открытых резонаторов с образцами полимерных волокон.
Научные положения, выносимые на защиту:
3) Предложенная модель квазиоптического ОР с погрешностью не более 12,5% описывает связь сдвига частоты основных типов колебаний с действительной частью комплексной диэлектрической проницаемости вносимого волокна диаметром 1,8 мм в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
4) Влияние мнимой части диэлектрической проницаемости вносимого волокна диаметром 1,8 мм в диапазоне от 0,01 до 0,2 сводится к изменению сдвигов резонансной частоты открытого резонатора не более чем на 4%.
Научная новизна.
1) Проведена экспериментальная апробация и показана адекватность модели ОР с тонким цилиндром для полимерных образцов диаметром до 1.8 мм в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
2) Показана возможность оценки действительной части комплексной диэлектрической проницаемости материала волокна по измерениям сдвига частоты основных типов колебаний открытого резонатора в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
Практическая значимость результатов работы. Полученные результаты могут быть использованы при создании метода измерения диэлектрической проницаемости полимерных цилиндрических объектов в открытом резонаторе, а также при разработке устройств для неразрушающей резонаторной диагностики диэлектрических волокон.
Апробация работы. Основные результаты выполненной работы были представлены:
а) на шестнадцатой Всероссийской конференции студенческих научноисследовательских инкубаторов (СНИИ-2019) (г. Томск, 2019);
б) на всероссийском конкурсе студенческих проектов «Радиофизика и электроника» (г. Томск, 2021);
в) на восемнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (СНИИ-2021) (г. Томск, 2019);
г) в материалах IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, (Scopus);
Выражаю благодарность сотрудникам института катализа СО РАН Кузнецову Владимиру Львовичу и Мосеенкову Сергею Ивановичу за предоставленные образцы композиционных филаментов для 3D печати.
В результате проведенных исследований были получены следующие результаты:
1. Получена математическая модель возмущений основных типов колебаний открытого резонатора тонким протяженным диэлектрическим цилиндром.
2. Проведена экспериментальная проверка и показано совпадение с точностью не хуже 12.5% расчетных и экспериментальных значений сдвигов резонансных частот ОР с образцами полимерных волокон диаметром до 1.8 мм в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
3. Показано, что внесение образцов полимерного волокна диаметром менее 0,05Х приводит к повышению добротности ОР относительно пустого резонатора, что не соответствует принципу аддитивности потерь, используемого в математической модели.
4. Проведена оценка влияния потерь в объеме полимерного волокна на сдвиг резонансной частоты ОР. Показано, что это влияние не превышает 4%, что позволяет с указанной точностью связать действительную часть диэлектрической проницаемости волокна со сдвигом частоты ОР. Это дает возможность оценки действительной части комплексной диэлектрической проницаемости материала волокна по измерениям только сдвига частоты основных типов колебаний открытого резонатора в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
5. Показано, что по результатам измерений волокна в ОР можно идентифицировать образцы, различающиеся в значениях действительной части диэлектрической проницаемости от 0,1 относительных единиц. Это позволяет фиксировать различия в параметрах как «чистых» волокон произведенных по разным технологиям, так и волокон из композиционных материалов с малыми абсолютными и относительными значениями концентрации наполнителя.
6. Проведена проверка возможности уменьшения коэффициента включения образцов волокна в ОР путем смещения его в направлении, перпендикулярном оси резонатора. Показано, что величина сдвига резонансной частоты ОР пропорциональна изменению поля в пустом резонаторе. Это позволяет проводить измерения для композиционных волокон с относительно большими потерями.
7. Показана возможность обнаружения неоднородностей
протяженных диэлектрических цилиндров в динамическом режиме. (при протяжке волокна через ОР).
1. Получена математическая модель возмущений основных типов колебаний открытого резонатора тонким протяженным диэлектрическим цилиндром.
2. Проведена экспериментальная проверка и показано совпадение с точностью не хуже 12.5% расчетных и экспериментальных значений сдвигов резонансных частот ОР с образцами полимерных волокон диаметром до 1.8 мм в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
3. Показано, что внесение образцов полимерного волокна диаметром менее 0,05Х приводит к повышению добротности ОР относительно пустого резонатора, что не соответствует принципу аддитивности потерь, используемого в математической модели.
4. Проведена оценка влияния потерь в объеме полимерного волокна на сдвиг резонансной частоты ОР. Показано, что это влияние не превышает 4%, что позволяет с указанной точностью связать действительную часть диэлектрической проницаемости волокна со сдвигом частоты ОР. Это дает возможность оценки действительной части комплексной диэлектрической проницаемости материала волокна по измерениям только сдвига частоты основных типов колебаний открытого резонатора в диапазоне частот 8 - 16 ГГц.
5. Показано, что по результатам измерений волокна в ОР можно идентифицировать образцы, различающиеся в значениях действительной части диэлектрической проницаемости от 0,1 относительных единиц. Это позволяет фиксировать различия в параметрах как «чистых» волокон произведенных по разным технологиям, так и волокон из композиционных материалов с малыми абсолютными и относительными значениями концентрации наполнителя.
6. Проведена проверка возможности уменьшения коэффициента включения образцов волокна в ОР путем смещения его в направлении, перпендикулярном оси резонатора. Показано, что величина сдвига резонансной частоты ОР пропорциональна изменению поля в пустом резонаторе. Это позволяет проводить измерения для композиционных волокон с относительно большими потерями.
7. Показана возможность обнаружения неоднородностей
протяженных диэлектрических цилиндров в динамическом режиме. (при протяжке волокна через ОР).
