Development of the BETA-method of testing and diagnosing of liquid, adhesive and hard materials including those with fire-proof coating (Project 2012-220-03-247)

Zavorotnev Yurii Dem'yanovich Doctor of Physics and Mathematics Leading research fellow at Donetsk Institute for Physics and Engineering; Professor at the Advanced Mathematics Department of European University, Donetsk Branch  83114, Ukraine, Donetsk, ul. Rozy Lyuksemburg, 72 zavorotnev.yurii@mail.ru

1. Общая информация по проекту

1.1. Область наук

Проект является мультидисциплинарным, т.к. решая задачи технических наук (пожарной и электрической опасности, горючести и устойчивости твердых, вязких и жидких материалов), использует методы и модели физики твердого тела, радиофизики, акустики, молекулярной физики и физической химии.

1.2. Направление научного исследования

Основным направлением научного исследования является физика материалов (физика конденсированных сред, физическое материаловедение, радиофизика), а также физическая химия и их приложения в технических науках.

1.3. Цель проекта

Разработка баро-электро-термо-акустического (БЭТА) метода испытаний и диагностики жидких, вязких и твердых материалов, в т.ч. с огнезащитными покрытиями (ОЗП), в целях определения их свойств, включая «старение», долговечность и пожарную устойчивость.

1.4. Задачи проекта

Разработку методологии БЭТА - испытаний жидких, вязких и твердых материалов, в т.ч. с ОЗП, планируется осуществить, с помощью Оптико-электронного Крио-Термического Акустико-Электрометрического ДериватогРафа («ОКТАЭДР»), путем решения следующих задач:

- создания модификации тигля-термоэлектродилатометра (ТЭД) на термоакустическом шток-волноводе (ТАШВ), для испытания и диагностики жидких, вязких и твердых материалов, в т.ч. с ОЗП ^[1-4];

- доработки термокриостата-электропечи (ТКСЭ), позволяющего изменять диапазон термобароударов от минус 50 до плюс 1000 градусов Цельсия и от 0,001 до 10 атм. ^[5];

- модификации «ОКТАЭДРа» спектральным измерительным комплексом (автоматизированный ИК фурье-спектрометр «ФТ-801» с ИК микроскопом серии «МИКРАН»), для регистрации не только продуктов деструкции испытываемых образцов синхронно с процессами термобароциклирования, но и для микроскопии их поверхности, на предмет регистрации «каналов протекания» и обнаружения «порогов протекания» ^[6-9];

- нахождения уравнений связи термодинамических, электрических, акустических и магнитных параметров с критериями подобия жидких, вязких и твердых материалов [5-7,10,11];

- разработки моделей, алгоритмов и программного обеспечения измерений и идентификации дефектообразования, старения и горения жидких, вязких и твердых материалов, в т.ч. с ОЗП ^[2,11-19];

- исследования образцов жидких и вязких сред, а также твердых материалов с ОЗП на «ОКТАЭДРе», модифицированном указанным образом ^[20];

- обобщения результатов, для формирования единой методологии БЭТА-испытаний жидких, вязких и твердых материалов, в т.ч. с ОЗП, включая разработку новой редакции ГОСТ 12.1.044 (МЭК 79-4, ИСО 1182) «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» ^[21].

1.5. Ожидаемые результаты проекта

Результаты проекта планируется защитить соответствующими патентами и использовать в науке, производстве и образовании следующим образом:

- БЭТА-метод и комплекс поставить на производство и использовать в центрах сертификации и метрологии Ростехрегулирования, в испытательных и криминалистических лабораториях и организациях Минюста и МЧС России, в институтах и центрах РАН, в отраслевых и ВУЗовских НИИ и КБ,

- БЭТА-метод и комплекс могут быть применены на материаловедческих предприятиях любых форм собственности,

- БЭТА-метод и комплекс могут быть использованы в образовательных процессах, т.к. для обеспечения их применения необходимы соответствующие специалисты, которые могут готовиться в колледжах и технических ВУЗах, т.е. БЭТА-метод и комплекс могут быть использованы в лабораторных и практических занятиях в классических университетах по физическим, химическим и геологическим специальностям, а также в технических университетах при подготовке специалистов для химических, материаловедческих, машиностроительных и приборостроительных отраслей промышленности.

Раздел 2. Описание проекта

2.1. Описание предлагаемого научного исследования

Актуальность сокращения социально-экономических потерь в обществе от аварий и пожаров не вызывает сомнений, т.к. и мировая, и отечественная статистика подтверждают их неумолимый рост, фиксируя тем самым тот факт, что существующие методы оценки и диагностики прочности, долговечности и пожарной опасности, а также средства предупреждения аварий и противопожарной защиты, не могут остановить увеличение социально-экономических потерь от аварий и пожаров ^[22,23].

Обусловлено это, по нашему мнению, тем, что существующие международные и национальные стандарты, а также методические и нормативные материалы, устанавливают качественные и приближенные методы и средства определения и диагностики прочности, надежности, долговечности, устойчивости, старения и горючести жидких и твердых веществ и материалов, не позволяющие количественно оценивать опасность изделий из них и технологических процессов с их применением, а также «старение» оборудования, транспортно-энергетических средств и систем, объектов, зданий и сооружений, что требует разработки и применения новых методов и средств диагностики и контроля ^[24].

В то же время и в производстве, и в быту не во всех случаях удается использовать пожаровзрывобезопасные и долговечные материалы и изделия. Поэтому последнее время получил широкое распространение метод обработки материалов и изделий из них специальными покрытиями, обеспечивающими защиту от эксплуатационных воздействий (влаги, температур и т.д.) и от огня. Однако существующие методы и средства испытаний огнезащитных покрытий (ОЗП) не унифицированы ^[25-27], а также не определяют характеристики, необходимые для объективной оценки изменений пожарной опасности защищаемых материалов и изделий из них^[28].

Настоящий проект, и в этом его научная значимость, направлен на решение указанных проблем, путем разработки баро-электро-термо-акустического (БЭТА) метода ^[29], который базируется на синхронном комплексировании четырёх физических (и четырёх вычислительных) методов термического анализа (ТА), электрометрии, метода акустической эмиссии (АЭ) и ИК Фурье-спектрометрии (ИКФС), реализованных в первом отечественном дериватографе «ОКТАЭДР» ^[30], с дополнением его методом микроскопии поверхности образца и модификацией тигля термо-электро-дилатометра (ТЭД) на термо-акустическом шток-волноводе (ТАШВ), для исследований и испытаний жидких, вязких и твердых материалов, в т.ч. с ОЗП ^[1-4].

2.2. Описание научных подходов и методов, используемых для решения поставленных задач

Разработки БЭТА-метода позволит, во-первых, создать единую методологию для определения долговечности, прочности и опасности (пожарной, электрической и т.д.) жидких, вязких и твердых веществ и материалов, в т.ч. с ОЗП, включая их «эксплуатационное старение», что позволит перейти от качественных (латентных) и приближенных параметров, методов и средств оценки устойчивости и безопасности материалов и изделий из них – к количественным (физико-химическим), во-вторых, решить проблему метрологического обеспечения (динамической калибровкой всех измерительных каналов с помощью термодинамических акустико-эмиссионных микроэталонов) не только при испытаниях твердых материалов и их образцов с ОЗП ^[31], но и жидких сред, в-третьих, определять не только теплоемкость, электромагнитные параметры и остальные калорические и термические коэффициенты материалов, но и термодинамические потенциалы и критерии подобия, которые до настоящего времени практически не определялись и не использовались в идентификации изменений физико-химических свойств жидких, вязких и твердых материалов ^{[7,11-13,15-17,29,30]}, а также их образцов с ОЗП [1-4,20].

Очевидно, что решение первой задачи будет заключаться в создании «поплавковой» конструкции ТЭД ТАШВ (рис.1), и в соответствующей корректировке и отладке эквивалентных схем измерения ^[2,20].

Решение задачи регистрации каналов и порогов протекания в твердых материалах и ОЗП, помимо установки ИК-микроскопа «МИКРАН», будет заключаться в синхронизации метода микроскопии с остальными методами, применяемыми в «ОКТАЭДРе» ^{[6,7,16,17,20,30]}.

Теоретическая часть работы, направленная на поиск связей термодинамических, электрических, акустических и магнитных параметров, будет использоваться, как для создания моделей и алгоритмов идентификации процессов диссипации и изменения физико-химических свойств жидких и твердых материалов, так и для измерительных и управляющих алгоритмов ^[6,15-19].

Рис.1 – Тигель термо-электро-дилатометр (ТЭД) с «поплавком» на термо-акустическом шток-волноводе (ТАШВ).

Программно-техническая часть работы будет заключаться в реализации и отладке создаваемых моделей и алгоритмов измерения и управления процессом испытаний жидких, вязких и твердых материалов, а также вычисления их термодинамических, акустических, электрических и магнитных параметров, для идентификации изменения их свойств при эксплуатации [1-4,10-13,15-20].

Для систематизации и адекватности описания материалов и процессов их эксплуатационного старения, нами были введены следующие понятия и термины ^[32]:

нанодеструкция - процессы изменения структуры/состава вещества или материала с размерностями в нанометры/ (от 10-9 до 10-6 м);

микродеструкция - процессы изменения структуры/состава вещества или материала с размерностями в микрометры (от 10-6 до 10-3 м);

макродеструкция - процессы изменения структуры/состава вещества или материала с размерностями в миллиметры и более (более 10-3 м).

Дело в том, что в последние годы в физике твердого тела находят многочисленные применения идеи теории протекания, которые описывают процессы изменения свойств проводников, полупроводников и композитов, как возникновение «внутренних дефектов» (дислокаций, трещин и т.д.) или нанодеструкции, которые развиваются под воздействием силовых, температурных и электромагнитных полей. При этом группы дефектов, соединяясь между собой, образуют систему каналов - «каналов протекания», которые, при достижении поверхности тела, характеризуются так называемым «порогом протекания», превращающим их во «внешний дефект», характеризующим, таким образом, микродеструкцию ^[6,15].

Например, деструкция полимера, как правило, является химической реакцией, а её скорость ограничивается скоростью подвода реагентов (обычно это кислород воздуха) и скоростью отвода продуктов распада, следовательно, здесь действуют диффузионные механизмы, описываемые в общем случае уравнениями вида ^[6,33]:

случае термодиффузии

(1)

где J_i – скорости перекрестных процессов; L_ik – коэффициенты, подчиняющиеся соотношениям Онсагера; D_T – коэффициенты диффузии; n – число частиц в единице объема; С_i – концентрация компоненты частиц.

По существу речь идет о новом состоянии вещества - фазовом переходе (ФП) третьего рода, гипотезу о существовании которых еще в 70-х годах высказал академик АН УССР Б.Н.Гнеденко ^[33]. При этом удачная классификация фазовых переходов достигается при использовании энергии Гиббса G, изменения которой при переходах всех типов deltaG=0, а производные – изменяются скачком ^[6,34].

Так для ФП первого рода скачкообразно меняются 1-е производные:

(2)

при постоянстве самой функции, а для переходов второго рода – 2-е производные:

(3)

при

Естественным продолжением подобной классификации явилось бы открытие ФП третьего рода, для которых скачкообразные изменения должны претерпевать 3-и производные по температуре и объему от G при постоянстве alfa, beta и C_P.

В 80-х годах, под руководством академика АН УССР А.А. Галкина, в Донецком физико-техническом институте АН УССР (ныне его имени НАН Украины, где работает д.ф.-м.н. Заворотнев Ю.Д.), при исследовании Bi и Zn, был определен ФП третьего рода как переход из хрупкого в пластичное состояние и условия такого перехода. В частности, обозначив плотность подвижных дислокаций через n, было показано, что хрупкому состоянию соответствует состояние тела, когда n=0, а пластичному – состояние с n≠0. То есть плотность подвижных дислокаций ведет себя при переходе хрупкость-пластичность аналогично параметру упорядочения при ФП второго рода. Существенным отличием при этом являлось то, что величина n принимает только положительные значения. Поэтому разложение термодинамического потенциала Ф в окрестности перехода имело вид ^[35]:

Ф = Ф₀ +1/2an²+1/3bn³+1/4cn⁴ (4)

где a,b,c – некоторые функции давления и температуры, Ф₀– термодинамический потенциал хрупкой фазы.

Равновесные значения n определялись из уравнения

Решение n=0 соответствовало хрупкому состоянию, а решение

- пластическому состоянию. При этом хрупкая фаза была устойчива, когда а >0, пластическая – когда а <0. Коэффициент с>0, т.к. пластическому состоянию вблизи линии перехода соответствовали малые плотности подвижных дислокаций.

Тогда, если b(P,T) >0, то переход из хрупкого в пластичное состояние происходил как фазовый переход третьего рода, причем в пластичной фазе плотность дислокаций была равна

n ≈ -a/b,

а условием фазового перехода являлись

а (Р,Т) = 0 или Р = РК (Т)

Несмотря на то, что за исключением указанных выше работ до настоящего времени ФП третьего рода с достоверностью не установлены, обнаружение «каналов и порогов протекания» и описание нано-, микро- и макродеструкции, как процессов старения материалов, является фундаментальной научной задачей настоящего проекта.

Прикладной научной задачей настоящего проекта является расширение нового метода исследования материалов названного БЭТА-анализом ^{[15,29,36,37]} на жидкие и вязкие среды, а также на материалы с ОЗП, за комплекс патентов на который, его основные разработчики-участники настоящего проекта Белозеров В.В., Босый С.И., Буйло С.И. и Прус Ю.В. награждены в 2012 году дипломами Национальной академии наук пожарной безопасности России.

В 2010 году разработка БЭТА-анализатора для промышленных систем управления и ускоренных испытаний на долговечность и пожарную опасность нано-, микро- и макроматериалов была награждена Золотой медалью X Московского международного салона новшеств и инвестиций (рис.3).

2.3. Описание научного задела по проекту и связанных с ним научных результатов коллектива исполнителей

Методы и установки термического анализа применяются для исследований и в производстве материалов не один десяток лет. Многие ведущие фирмы мира [DuPont, Perkin Elmer, NETZSCH и др.] выпускают различные ТА-установки, реализующие TG и DTG, TD и DTD, DTA, дифференциально-сканирующую калориметрию (DSC), а также специальные методы: динамомеханический анализ (DMA), диэлектрический анализ (DEA), метод лазерной вспышки (LFA), термомеханический анализ (TMA), в т.ч. синхронные (STA) и сопряженные (SSA): TG-DTG-DTA/DSC-масспектрометр, TG-DTG- DSC/DTA - Фурье-спектрометр и т.д. ^[38]

Однако, до появления лабораторного образца Оптико-электронного Крио-Тепло-Акусто-электрометрического ДериватогРафа («ОКТАЭДРа»), никому ещё не удавалось синхронизировать дилатометрию с гравиметрией, а также с одновременной электрометрией и определением коэффициента теплопроводности, а тем более на макронавеске образца, да ещё в режиме термобароциклирования ^[7,11,30,39].

Предлагаемый проект – плод многолетнего труда коллектива участников в фундаментальных и прикладных исследованиях в этом направлении по программам и грантам Минобразования РФ, РФФИ и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (СРМФП НТС):

- НИР 4.65 Межвузовской НТП Минобразования РФ 1996-1999г.г., "Качество и безопасность технологий, продукции, образовательных услуг и объектов" – рук. Белозеров В.В., НИИФ РГУ;

- проект VI.10 «Комбинированный термоакустический метод анализа веществ и материалов» межотраслевой НТП Минобразования РФ с Минатомом России по направлению “Научно-инновационное сотрудничество” 2001 г., - рук. Панченко Е.М., НИИ физики РГУ;

- грант РФФИ № 06-08-01039 «Метод идентификации ранних стадий разрушения материалов и конструкций» 2006-2008 г.г. – рук. Буйло С.И. НИИМ и ПМ РГУ;

- проект № 5823 программы «СТАРТ-05» 2005-2009 г.г. «Метод и комплекс термоакустометрии с синхронным термическим анализом веществ и материалов» - рук. Белозеров В.В., «НПТ Центр ОКТАЭДР» РГУ;

- грант ЮФУ № 05/6-98 2007 г. «Современные методы диагностики материалов и изделий из них» – рук. Буйло С.И., НИИМ и ПМ ЮФУ;

- грант РФФИ № 09-08-00283а «Метод контроля динамики химических реакций и физико-химических процессов в жидких средах» 2009-2010 г.г. – рук. Буйло С.И. НИИМ и ПМ ЮФУ.

Именно в таком комплексировании заключается «не конкурируемое» качество первого отечественного электротермоакустического дериватографа, позволяющее на одной установке, на одном образце и одновременно, получить физико-химические параметры материалов, в т.ч. те, которые до настоящего времени не определялись вообще (таб.1), в виде «вектор-функций жизненного цикла», создающих его «эксплуатационный образ» ^[40].

Даже появившаяся в последние годы немецкая установка Linseis Combi Thermal Analyzer L75/L81-II/1600, стоимостью более 2,0 млн.руб. не позволяет синхронно использовать все пять комплектующих её модулей (ДСК, ДТА, ТГА, ТМА, дилатометрия) и три печи (включая криостат, с охватом температурного диапазона от -150 до 2400°C), а вакуум-плотная конструкция позволяет проводить измерения только в вакууме до 10-5 мбар (при подключении соответствующего насоса). При этом, в отличие от «ОКТАЭДРа», сопряжение с масс-спектрометром или ИК-Фурье спектрометром осуществляется с обогреваемым газовым интерфейсом, что не даёт возможности синхронно с остальными измерениями фиксировать процессы сублимации, испарения и т.п. ^[41].

Таблица 1 Сравнительные характеристики ТА-методов и установок, их реализующих

Имеющийся лабораторный образец ОКТАЭДРа (рис.2), созданный в рамках проекта № 5823 программы «СТАРТ», синхронно сопрягает следующие методы ^[39,40]:

термобарогравиметрию (ТБГ) – реализуемую уравновешивающими магнитометрическими весами WZA-224CW (фирмы Sartorius) со встроенной поверочной гирей 200 г., управляемые компьютером, позволяющими провести их поверку с восстановлением массы тары (тигля-термоэлектродилатометра на термоакустическом шток-волноводе) в любой момент времени (что особенно важно при изменениях давления), с разрешающей способностью измерения массы образца (до 50 г.) – m в 10 мкг., а в режиме двойной точности – дифференциальную термобарогравиметрию (ДТБГ) с разрешающей способностью dm - до 1 мкг./сек.;

ёмкостную термобародилатометрию (ТБД и ДТБД) – реализуемую тиглем-термоэлектродилатометром (ТЭД) и двумя измерителями иммитанса (Е7-20), управляемыми компьютером, который вычисляет (у диэлектрика через ёмкость, а у проводника через сопротивление) ℓ - линейный размер и α – коэффициент линейного расширения образца с разрешающей способностью ТКЛР ТЭД (~1 мкм./град.), с соответствующей калибровкой измеряемых параметров 25 мм.-эталонами (из проводника, диэлектрика и полупроводника с точностью 1 нм.), вставляемыми в «пустой» ТЭД до проведения испытаний;

определение теплопроводности и температуропроводности – реализуемую ТЭД, имеющим встроенные тепловые сенсоры с двух сторон образца, по данным которых и результатам измерений ТБГ и ТБД, определяются ρ, λ, C_Р, C_V и а - коэффициент температуропроводности, а также вычисляются критерии подобия: число Фурье - Fo = at/ℓ² и число Био - Bi = αℓ/λ;

дифференциально-баротермический анализ (ДБТА) – реализуемый в том же ТЭД «секцией с тепловыми сенсорами с двух сторон без образца» (в качестве эталона – вакуум или воздух), в результате которого корректно определяется энтальпия из уравнения теплового баланса: ΔmdH/dt + λ(T₀ - T_m) = mC_РΔТ, а в совокупности с предыдущими методами - остальные калорические и термические коэффициенты: ξ =dQ_Т/dV, h =dQ_T/dP, χ =dQ_P/dV, ψ = dQ_V/dP, β = -(∂V/∂P)/V, γ = (∂Р/∂T)/Р, по которым, вычисляются термодинамические потенциалы и параметры образца;

диэлектрический анализ (ДЭА) – реализуемый для диэлектриков ТЭД и измерителями иммитанса (Е7-20), управляемыми компьютером, который вычисляет функции диэлектрической и магнитной проницаемости образца, измеряя ёмкость, комплексное сопротивление и находя экстремумы тангенса угла потерь в диапазоне 25 – 10⁶Гц., после чего, решая уравнения импеданса, представляет их в «3-х мерной комбинации» координат (T,P,ω), вычисляя в точках экстремумов критерии гомохронности (Ho₃ = ερ/t, Ho₂ = µℓ²/ρt и Ho₅ = С/Gt);

электрический и магнитный анализ (ЭМА) – реализуемый для проводников и п/проводников ТЭД и измерителями иммитанса (Е7-20), управляемыми компьютером, который определяет функции проводимости и вычисляет магнитную проницаемость образца, измеряя индуктивность, комплексное сопротивление и находя экстремумы угла фазового сдвига и тангенса угла потерь в диапазоне 25 – 10⁶Гц., после чего решая уравнения импеданса, представляет их в «3-х мерной комбинации» координат (T,P,ω), вычисляя в точках экстремумов критерии гомохронности (Ho₂ =µℓ²/ρt и Ho₄ = L/Rt);

динамический и термический механический анализ (ДМА и ТМА) – реализуемые использованием данных ТБД и ДБТА и связи β с модулем объемной упругости (К=1/β), по которым вычисляются остальные модули упругости Е = Pℓ/Δℓ, G = 3E/(9- β E), ν = (E-2G)/2G, μ_μ = G, λ_λ=(1-2 βμ)/3β, а также определяется второй критерий подобия упругих деформаций, равный ρgℓ/E, и тангенс угла механических потерь;

акустико-эмиссионный анализ (АЭ) – реализуемый 2-мя датчиками АЭ, установленными на акустических волноводах (ТАШВ), контактирующих с образцом в ТЭД, подключенными в модуль A Line-32 D PCI8, который по двум независимым каналам определяет интенсивность потока (количества в единицу времени) актов АЭ - dNa/dt, их общее количество - Na, амплитуды - U, а также спектральный состав излучения - G(f), что позволяет исследовать кинетику изменений в образце и диагностировать самые ранние стадии происходящих процессов, а также осуществлять калибровку измерительных трактов АЭ, периодически переключая один из датчиков в режим излучения импульса от эталонного генератора;

ИК Фурье-спектрометрию продуктов нано-, микро- и макродеструкции образца в рабочем объеме термокриостата, реализуемую оригинальным сопряжением ИК Фурье-спектрометра («Инфралюм ФТ-801») с термокриостатом, через «окно» в нём в режиме «переотражения ИК-луча от зеркальной обкладки» ТЭД (рис.2);

термодинамического и акустоэмиссионного эталонирования (ТДАЭ), реализуемого, встроенными в ТАШВ ТЭД, ТДАЭ-микроэталонами, имеющими практически безгистерезисные характеристики обратимых фазовых переходов первого рода (энергии и температуры), позволяющие (статически и динамически) по энергии и температуре ФП калибровать измерительные каналы и вычислительные процедуры электрометрии, ТА и АЭ методов в ходе испытаний ^[31].

Существенным при этом является то, что все ведущие фирмы мира выпускают установки ТА, которые реализуют различные методы при линейном изменении температуры, что не позволяет корректно и точно получать термодинамические параметры образца, определяемые, например, в изотермическом режиме:

β = -(∂V/∂P)/V; ξ =dQ_Т./dV; h =dQ_T./dP; (5)

где dQ_Т – изменение тепла при постоянной температуре; dV, dP – изменение объема и давления; β - изотермический коэффициент сжатия; ξ - коэффициент изотермического изменения внутренней энергии; h – теплота изотермического возрастания давления.

1 - файл-сервер (ФС); 2- гравиакустико-электрометрический модуль (ГАЭМ); 3-предметный стол (ПС); 4- измеритель иммитанса Е7-20; 5- модифицированный термокриостат-электропечь (ТКСЭ); 6-измеритель иммитанса Е7-20; 7- модули управления МТКСЭ, компрессором и форвакуумным насосом (МКУБ); 8- ИК фурье спектрометр «ФТ-801»; 9- 1-й монитор ФС; 10 -цветной принтер; 11-мастер-модуль М902Е МФК “TREI-5В-05”; 12- монитор рабочей станции (РС); 13- 2-й монитор ФС; 14- рабочая станция (РС); 15-реверсивный контур тепла/холода (РКТХ); 16- форвакуумный насос; 17- компрессор; 18-рабочее место оператора с клавиатурой и мышью.

Рис.2 - Внешний вид «ОКТАЭДРа»

Поэтому при создании «ОКТАЭДРа» был разработан и запатентован метод ^[5,42] термобароциклирования и термокриостат, его реализующий, позволяющие в течение нескольких циклов сформировать адаптивный термобароцикл испытания (Рис.3) любого материала с квазиизотермическими и квазиизобарическими участками в окрестностях особых точек его фазовых состояний (плавления, испарения и т.д.).

■ – циклограмма температуры ● – циклограмма давления

Рис.3 - Адаптивный термобароцикл

Таким образом, разработка БЭТА-методологии и унифицированного ТЭД-ТАШВ позволит определять не только вектор-функции жизненного цикла, но и характеристики пожаровызрывоопасности всех твердых, вязких и жидких веществ и материалов, а также материалов с ОЗП на одной автоматизированной установке вместо 22-х по ГОСТ 12.1.044 (и существующих установках в НПБ по ОЗП), а также ввести новые – количественные параметры, которые позволят от качественных характеристик («горит- не горит», «распространяется - не распространяется» и т.д.) пожаровзрывоопасности перейти к критериям Семенова, Зельдовича и Франк-Каменецкого, используемым в физико-химических теориях горения и взрыва, что позволит применить их в оценке пожарной опасности изделий, техпроцессов и объектов ^[40]:

где Ze – критерий Зельдовича (критическая плотность теплового потока); l - коэффициент теплопроводности газовой фазы; R - газовая постоянная; Тп - температура печи; Е_а - энергия активации пиролиза образца; Н - тепловой эффект реакции в газовой фазе; K - предэкспонент; Se – критерий Семенова (Se=0,368); Q - теплота, подведенная к образцу; V - текущий объём образца; S - текущая площадь поверхности образца; a - текущий коэффициент теплоотдачи образца; Тпо-температура поверхности образца; Fк-критерий Франк-Каменецкого (Fк=2,00); r-линейный размер образца; λо-коэф.теплопроводности образца; То-температура образца.

Из решения системы методом подстановки параметров в точке воспламенения, которая фиксируется потоком импульсов акустической эмиссии, вычисляются Н - тепловой эффект реакции в газовой фазе, Е_а - энергия активации пиролиза образца и K – предэкспонент. Далее вычисляются энергии активации - Е_Di стадий деструкции, соответствующих температурам стадий (Тр,Тпл,Ттл), и, после вычисления Fк_Di, этих стадий, рассчитываются тепловые эффекты в них - Н_Di .

При решении системы уравнений используются следующие измеряемые параметры и формулы расчета с ними:

характерный размер r (высота образца) → ℓ (определяется с помощью ТЭД),

коэффициент теплопроводности образца → λ_O (определяется с помощью ТЭД),

коэффициент теплоотдачи образца → α = Bi∙λ_O/ℓ - (число Био определяется в ходе испытаний по радиационной формуле Bi = σT³ℓ(T)/λ_О(T),

объем образца → V = m/ρ (масса измеряется магнитометрическими весами Sartorius, а плотность определяется c помощью ТЭД).

площадь поверхности образца (цилиндра) → S = ξV = ξ∙m/ρ , где m –масса и ρ - плотность образца, а ξ – фактор формы определяется из отношения площади к объему образца:

В этом случае система и её решения принимают следующий вид:

Раздел 3. Перспективный облик лаборатории (Центра коллективного пользования – ЦКП) после окончания проекта

После реализации проекта, помимо практикумов и лабораторных работ, БЭТА-ЦКП ДГТУ планирует выполнять научные исследования в области создания «банка данных образов» испытанных веществ и материалов.

БЭТА-ЦКП ДГТУ имеет план по самостоятельному получению финансирования из ФЦП МЧС России по пожарной безопасности и предупреждению ЧС.

БЭТА-ЦКП ДГТУ планирует свою аттестацию в системе аналитических лабораторий и в ССПБ, после чего - проведение обучения специалистов центров сертификации и метрологии Ростехрегулирования, испытательных и криминалистических лабораторий Минюста и МЧС России, а также материаловедческих предприятиях любых форм собственности, что явится существенным вкладом в инфраструктурное развитие ВУЗа.

После создания «банка данных образов» испытанных материалов планируется разработать и внедрить Интернет-технологию «виртуальных испытаний материалов», которая заключается в том, что зарегистрированный пользователь сможет в режиме “on-line” заказать из базы данных исследованных материалов «коррелированную выборку» любых параметров, измеренных и полученных «БЭТА-анализатором» в любом интервале имеющихся диапазонов испытаний, «прокрутить их на сайте» (ускоренно или замедленно) и оценить визуально полученные зависимости. Если полученный «роллинг» удовлетворит пользователя на предмет идентификации интересующих его процессов, то он сможет «включить» архивацию первичных данных и «посылку архива» по указанному адресу электронной почты, после чего «разархивировать и развернуть» выбранный испытательный цикл на своем компьютере с помощью Microsoft Excel.

В перспективе планируется постановка спецкурса «Современные методы и средства диагностики и испытаний материалов и изделий из них», который базируется на результатах проекта № К-07-Т-74 (05/6-98-рук.Буйло С.И.) и включает в себя:

- Учебное пособие «Современные методы и средства диагностики материалов и изделий из них» ^[43],

- Электронный учебник «Диагностика материалов и изделий из них»» ^[44],

- курс лекций «Современные методы и средства диагностики материалов и изделий из них» ^[45],

- УМК (учебная и рабочая программы, перечень методических материалов) для бакалавра по спецкурсу «Современные методы и средства диагностики и испытаний материалов и изделий из них» ^[46],

- методическое пособие бакалавра, для выполнения и оформления лабораторных работ и индивидуальной работы по курсу «Современные методы и средства диагностики и испытаний материалов и изделий из них ^[47],

- методическое пособие магистра, для выполнения и оформления лабораторных работ и индивидуальной работы по курсу «Современные методы и средства диагностики и испытаний материалов и изделий из них ^[48],

- комплекс учебно-методических материалов для бакалавров, специалистов и магистров ^[49-51].

Указанный спецкурс будет уточняться и корректироваться, в т.ч. по результатам настоящего проекта, при включении в учебные планы для бакалавров, специалистов и магистров в институтах и на факультетах ДГТУ.