Во всех отраслях современной промышленности широкое распространение получили полимерные материалы, свойства которых во многом зависят от температуры. Так, например, происходящие в полимерах под действием охлаждения или нагрева процессы значительно влияют на точность измерений волоконно-оптических датчиков, использующих защитное покрытие из таких материалов. Чтобы учесть особенности температурных эффектов, протекающих в полимерах, и обеспечить их более эффективное использование в промышленности, важно исследовать, как температура влияет на их поведение. Для решения подобных задач ученые Пермского Политеха разработали методику, позволяющую определять функциональную зависимость термического расширения от температуры для широкого спектра полимерных материалов.

Статья с результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика» №2, 2024 год. Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № FSNM- 2023-0007).

В волоконно-оптических датчиках на световоды, которые используются в качестве чувствительных элементов, нанесены защитные полимерные покрытия. Происходящие в них под действием температуры физические процессы воздействуют на точность измерений. Таким образом, температурные свойства полимерных покрытий и их конструкция существенно влияют на чувствительность подобных сенсорных систем, улучшая или ухудшая их эксплуатационные характеристики.

Параметры таких конструкций часто зависят от внутренних напряжений, формирующихся в процессе производства и эксплуатации. Один из факторов, влияющих на них, – это термическое расширение, когда под воздействием температуры полимер меняется в размере. Поэтому при создании волоконно-оптических сенсоров необходимо определять, как температура влияет на этот показатель, тем самым изучая степени его деформации в различных режимах.

– Коэффициент термического расширения полимеров непостоянен. Он зависит не только от температуры, но и скорости ее изменения. На сегодняшний день эта проблема не раскрыта в полной мере. Нужны разработки новых подходов, где на основе экспериментальных данных можно строить математические модели и описывать наблюдаемые на практике эффекты. В итоге это позволит давать оценку температурных деформаций полимеров, что важно как для оптоволоконных приложений, так и для аддитивных полимерных технологий и ряда других отраслей, – рассказывает кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Александр Труфанов.

Ученые Пермского Политеха разработали методику определения температурной зависимости термического расширения и применили ее для пленочных полимерных образцов, которые широко используются в оптоволоконных изделиях.

– В настоящее время в расчетных схемах используют не зависящие от температуры и скорости ее изменения значения коэффициента термического расширения. Это не позволяет в полной мере учитывать влияние полимерных покрытий на привносимые погрешности в волоконно-оптических датчиках. А традиционные методы измерения этого параметра не применимы для пленочных образцов, так как имеют недостаточную толщину и в них сложно реализовать большую скорость изменения температуры. Мы же предлагаем использовать такое устройство, как динамический механический анализатор, который позволяет корректно работать с пленочными образцами. С ним возможно задавать температуру в широком диапазоне, регулировать скорость ее изменения, точно контролировать прикладываемую силу и измеряемые перемещения, – объясняет Александр Труфанов.

Для расширения температурного диапазона политехники использовали систему охлаждения жидким азотом, которая позволяет проводить эксперименты в интервале от -150 до 600°С. Исследовали различные пленочные образцы, которые изготавливали из эпоксидной смолы и полимеров, отверждаемых ультрафиолетом. В процессе экспериментов фиксировали перемещения, температуру и прикладываемые усилия.

Полученные в результате зависимости позволяют точно описать деформационный отклик материала на изменение температуры. Преимуществом предлагаемого подхода также является то, что на одном и том же образце можно собирать данные и для анализа температурного расширения, и для определения вязкоупругих характеристик материала.

Достоверность работы методики измерения политехники подтвердили с помощью образцов из пищевой алюминиевой фольги, так как данные по температурному расширению алюминия хорошо известны. Результаты доказали, что предложенный учеными ПНИПУ подход корректен и может использоваться для установления зависимости термического расширения полимеров от температуры и скорости ее изменения.

Одна из основных причин, по которым автомобильные дороги приходится часто ремонтировать, – это образование поверхностных дефектов из-за постоянных нагрузок от транспортных средств. Общий вес только одного большого грузовика может достигать 40 тонн. Во время эксплуатации асфальтобетона происходит его сжатие и растяжение, это усложняет задачу повышения прочности всего дорожного слоя. Существующие методы в настоящее время недостаточно эффективны. Поэтому поиск новых материалов и технологий для улучшения долговечности дорог остается актуальным. Ученые Пермского Политеха предложили укрепить асфальтобетон отходами оптического волокна. Стабильные размеры и химический состав позволяют использовать их в качестве сырья для получения армирующего компонента, способного повысить устойчивость дорожного покрытия к сжимающим и растягивающим нагрузкам.

Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Передвигаясь по автомобильной дороге, транспорт формирует высокие нагрузки на слои дорожной одежды. Наибольшее давление испытывает верхний слой – асфальтобетон. Он подвергается растягивающим и сжимающим усилиям, которые образуют напряжения в слое асфальта, что со временем приводит к возникновению наружных и внутренних дефектов (неровности, трещины, выбоины, колеи).

Улучшить характеристики асфальтобетонных покрытий можно с помощью их армирования (укрепления). Из-за того, что во время эксплуатации он работает на сжатие и на растяжение, задача упрочнения всего слоя дорожной одежды становится очень сложной. Одним из перспективных направлений повышения трещиностойкости дорог является метод объемного дисперсного армирования. Он основан на введении в состав асфальтобетонной смеси волокнистых материалов, которые увеличивают сопротивление сдвиговым и сжимающим нагрузкам.

Ученые Пермского Политеха исследовали для этих целей отходы оптического волокна, основную массу которых вывозят на свалки или сжигают, что негативно сказывается на окружающей среде. Их физико-химические свойства и доступность позволяют использовать это сырье в качестве армирующего элемента в составе асфальтобетона.

– На сегодняшний день объемы производства и использования оптического волокна постоянно увеличиваются – изготовление оптоволоконных кабелей в год достигает 4,45 млн км. Растет и количество их отходов. Кварцевая нить, покрытая тонким слоем полимерной композиции, обладает высокой прочностью, стабильностью, устойчивостью к влиянию окружающей среды, химическим и биологическим воздействиям. Эти свойства указывают на возможность эффективного использования оптоволокна для укрепления дорожного покрытия, – объясняет доктор технических наук, профессор кафедры автомобилей и технологических машин ПНИПУ Константин Пугин.

В качестве эксперимента политехники сравнивали между собой два образца асфальтобетонной смеси. Первая наиболее широко используется для строительства асфальта (щебень – 55%, отсев дробления – 42%, минеральный порошок – 3%, битум – 4,7%). Во вторую добавили 1% оптоволокна. Полученные образцы испытывали на устойчивость к воде, трещинам, сдвигам и на предел прочности при различных температурных режимах (0, 20, 50°С).

Опыт ученых Пермского Политеха показал, что добавление частиц оптоволокна увеличивает физико-механические характеристики асфальтобетона. Добавление всего 1% может повысить его устойчивость к нагрузкам до 14%. Это доказывает перспективность использования оптоволоконных отходов для качественного и долговечного укрепления дорог. Их применение в качестве армирующего элемента при разработке новых видов асфальтобетонных смесей внесет большой вклад в дорожное строительство.