Laserowe układy pomiarowe do wyznaczania właściwości sprężystych włókien konstrukcyjnych

• Autorzy: Więcek T.

Warianty tytułu

EN

Laser measurement systems for determination of the elastic properties of construction fibres

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedmiotem pracy jest opracowanie metod, wykonanie układów pomiarowych, badanie właściwości spężystych wybranych włókien konstrukcyjnych o przeznaczeniu technicznym i mającym zastosowanie w technicznych wyrobach włókienniczych oraz kompozytach wytwarzanych na bazie tekstyliów. Celem pracy jest opracowanie nowych metod wyznaczania dynamicznego modułu Younga (dla częstości drgań własnych), współczynnika tłumienia drgań własnych, statycznego modułu Younga, współczynnika Poissona oraz średnicy włókna. Włókna w kompozytach poddawane są obciążeniom dynamicznym i statycznym. Znajomość dynamicznego i statycznego modułu sprężystości włókien tekstylnych jest bardzo pożądana z uwagi na szerokie zastosowanie w przemyśle szczególnie w przemyśle projektowym, termin użyty na Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów w Gdańsku 2009 r. Projektowanie nowych materiałów konstrukcyjnych, tak zwanych kompozytów, laminatów wymaga znajomości właściwości fizycznych w tym właściwości mechanicznych komponentów. Dotąd badania koncentrowały się na wyznaczaniu modułu sprężystości metodą statyczną i dotyczyły wiązki włókien co dawało wynik uśredniony. W przypadku pojedynczych włókien otrzymane charakterystyki odkształcalności są niedokładne z uwagi na mało precyzyjną rejestrację przemieszczenia wykonywanych na urządzeniach wytrzymałościowych. Na aparacie do dynamicznej analizy mechanicznej (DMTA Q800) istnieje możliwość przeprowadzenia analizy właściwości lepkosprężystych materiałów w szerokim zakresie modułu 1000 Pa-1000 GPa. Zdaniem producenta jednak wymiary włókna mogą być nie dłuższe niż 30 mm i nie cieńsze niż 20 žm. Dolna granica 1000 Pa pomiaru modułu sprężystości wyklucza badanie bardzo cienkich włókien. Reasumując, istnieje potrzeba dalszych prac zwiększających możliwości wyznaczania charakterystyk mechanicznych pojedynczych włókien. Celem niniejszej pracy jest opracowanie metody wyznaczenia dynamicznego i statycznego modułu Younga dla pojedynczego włókna, posługując się techniką laserową i wykorzystując to, że laserowe układy pomiarowe długości i kąta są zdalne, bezstykowe i bezinercyjne. Obszar zagadnień występujący w pracy jest stosunkowo rozległy. Podstawową dziedziną, z której zaczerpnięto uzasadnienie podjęcia tematu, materiał badawczy, której mają służyć wnioski, jest włókiennictwo. Przedmiotem zainteresowania autora są właściwości sprężyste włókien. Potrzeba rozszerzenia informacji o tym pojęciu i analizowanie go z innego punktu widzenia niż dotychczas legła u podstaw podjęcia decyzji o rozpoczęciu badań. Autor wprowadził do metrologii włókienniczej technikę laserową. W tym przypadku dyfraktometria laserowa znalazła zastosowanie w pomiarach długości. Autor opracował metodę do wyznaczania dynamicznego i statycznego modułu Younga, współczynnika Poissona oraz współczynnika tłumienia drgań wzdłużnych dla pojedynczych włókien i pomiaru średnicy włókna. Wykonane układy pomiarowe pozwoliły autorowi ocenić przydatność nowych rozwiązań w metrologii włókienniczej. Praca została podzielona na rozdziały. Przedstawiono właściwości sprężyste włókien konstrukcyjnych, stan wiedzy na temat metod wyznaczania dynamicznego i statycznego modułu Younga, współczynnika Poissona, współczynnika tłumienia drgań dla pojedynczych włókien oraz pomiaru średnicy. Powszechnie do oceny właściwości sprężystych włókien są stosowane maszyny wytrzymałościowe. Doniesienia literaturowe przedstawiają metody pomiarowe do charakteryzowania właściwości mechanicznych włókien. Różnice sprowadzają się do sposobu rejestracji tych przemieszczeń. Rozdział 4 pracy zawiera informacje związane z opracowaniem metod. Powstanie technik laserowych z chwilą skonstruowania pierwszego lasera w 1960 roku oraz rozwój informatyki stworzyły możliwość opracowywania oryginalnych systemów pomiarowych na potrzeby metrologii włókienniczej. W budowie unikalnych układów pomiarowych autor wykorzystał laser jako źródło światła cechującego się charakterystycznymi właściwościami (spójność, polaryzacja, kolimacja, monochromatyczność, gęstość spektralna mocy). Zastosowanie światła laserowego w układach pomiarowych daje możliwość wykonywania pomiarów bez wpływu na obiekt pomiarowy. Wcześniej w Katedrze Fizyki Politechniki Rzeszowskiej autor opracował metodę badań tłumienia drgań w prętach oraz zbudował prototypowe stanowisko pomiarowe. Podjęte próby wyznaczania właściwości sprężystych prętów oraz wiązek włókien ciągłych wskazały na możliwość zastosowania tej metody do wyznaczania dynamicznego i statycznego modułu Younga oraz współczynnika Poissona dla pojedynczych włókien. Określanie ww. właściwości sprężystych włókna sprowadza się do pomiaru odkształcenia włókna w zakresie deformacji sprężystej. Jedna z metod optycznych, dyfraktometria jest wykorzystywana w układach pomiarowych. W rozdziale autor opisuje wykonanie oryginalnych układów pomiarowych oraz przetestowanie układów pomiarowych dla różnych rodzajów włókien. W następnym rozdziale przedstawiono pomiary dynamicznego modułu Younga dla włókien chemicznych i porównano z pomiarami na DMA. W zakresie sprzętowym wykorzystano zorganizowane przez autora laboratorium techniki laserowej Katedry Fizyki Politechniki Rzeszowskiej w postaci laboratoryjnego zestawu holograficznego ze stołem anty wibracyjnym, kamery CCD, komputera, laserów. Tych kilka rozdziałów stanowią podstawową, merytoryczną część pracy. Ostatni rozdział zawiera podsumowanie, w którym wymieniono najważniejsze osiągnięcia autora oraz wnioski końcowe wypływające z przeprowadzonych badań.

EN

This work shows new measurement systems for study of the elastic properties for the construction fibre in several technical applications. It has been, shown that laser measurement systems allow to define static Young's modulus, dynamic Young's modulus, Poisson's ratio and dumping coefficient of longitudinal vibration of fibres. The developed measurement systems was described. The detection of zero fringe can be performed for the determination of mechanical element frequency. In such a case this method is used in impulse mechanical spectrometer for determination of the Young's modulus or dumping coefficient of longitudinal vibrations. The detection diffraction pattern can be performed for the determination static Young's modulus, Poisson's ratio and the diameter of the fibre, Inception of the laser techniques in 1960 when the first laser was constructed and the developed with informatics has created the possibility of developing the original measurement systems for textile metrology. An application of laser light in measurement makes noncontact, long distance, non-inercial measurements process. The capability of measurements for technological parameters fibre: diameter of 10 žm, higher than 30 mm length has been shown. The proposed method for determination of the dynamic Young's modulus and dumping coefficient is a very interesting and very useful alternative comparing with the expensive and not always precise devices.

Słowa kluczowe

PL

laserowe układy pomiarowe; włókno; sprężyste włókna konstrukcyjne; włókna konstrukcyjne; moduł Younga dynamiczny; statystyczny moduł Younga; dyfrakcyjny układ pomiarowy

EN

laser measurement systems; fiber; elastic fibers of constructional; dynamic Young`s modulus; statistical Young`s modulus

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2011
• Tom: Z. 406
• Strony: 3--117
• Opis fizyczny: Bibliogr. 83 poz.

Twórcy

autor

Więcek T.

• Katedra Fizyki, Wydział Matematyki i Fizyki Stosowanej, Politechnika Rzeszowska

Bibliografia

• [1] Nowicki J., Materiały kompozytowe, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 1993.
• [2] Sloter L., Joint Service Joint Directors of Laboratories (JDL) Technology Panel for Advanced Material (TPAM), in The Plenary Session of Annual Conference on Composities Materials as Structures Cocoa Beach, FL, NASA CP-10137, 1994, pp. 17-44.
• [3] Malacara D., Thompson B.J., Handbook of Optical Engineering, Marcel Dekker, Inc. 2001.
• [4] Wolniewicz E., Pomiary interferencyjne, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1978. ,
• [5] Jóźwicki R., Podstawy inżynierii fotonicznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.
• [6] Kleszczewski Z., Wybrane zagadnienia z optyki falowej, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003.
• [7] Stypka T„ Ratajczyk E., Metoda pomiaru mikrowymiarów oparta na dyfrakcji światła, Mechanik, nr 10, 1978.
• [8] Dubik A., Zastosowanie laserów, WNT, Warszawa 1991.
• [9] Pluta M., Holografia optyczna, PWN, Warszawa 1980.
• [10] Gniadek K., Optyczne przetwarzanie informacji, PWN, Warszawa 1992.
• [11] Kryłow K.J., Prokopienko W.T., Mitrofanow A.S., Primienije laserów w maszynostrojeni i pribostrojeni, Leningrad 1978.
• [12] V Krajowa Szkoła Optoelektroniki, Waplewo 1991.
• [13] Orłoś J., Badania doświadczalne ciała stałego, WNT, Warszawa 1998.
• [14] Owsik J., Więcek T., Optoelectronic Metrology, Łańcut 1998, Proceedings SPIE, vol. 4018.
• [15] Cathey W.T., Optyczne przetwarzanie informacji i holografia, PWN, Warszawa 1978.
• [16] Pryor R., Hageniers O.L., Diffractographic Dynamometer, W.P.T. North, Appl. Opt. vol. 11,(1972), 308-313.
• [17] Hageniers O.L., Pryor T.R., Pastorius W.J., North W.P.T., Straight Edge Profile Analysis by the Diffractographic Method with Applicatin to Razor Blades,The Review of Scientific Instruments, vol. 43, (1972).
• [18] Breitmeier U., Anwendung der Lichtbeugung in der LangenmeBtechnik, messen + priifen/automatik, Juni 1983.
• [19] Bom M., Wolf E., Principles of optics, Cambridge, London 1999.
• [20] Meyer-Arendt J.R., Wstęp do optyki, PWN, Warszawa 1977.
• [21] Yu F.T.S., Wprowadzenie do teorii dyfrakcji i obróbki informacji. Moskwa 1978.
• [22] Kujawińska M., Automatyczna analiza obrazów prążkowych w optycznych metodach badań i kontroli, Sympozjum naukowe, Mechatronika 1992.
• [23] Pawlak A., Więcek T., Wasilewski A., Gałęzki A., Observation of Stresses in Transparent Materials by Microphotoelasticity, Europan Microscopy and Analysis, January, 2001.
• [24] Pawlak A., Więcek T., Wasilewski A., Gałęzki A., Studies of stresses around glass beads in epoxy by using scattered light photoelasticity, EUROFILLERS 1999.Ill
• [25] Więcek T., Pawlak A., Wasilewski A., Gałęzki A., Determination of stresses around inclusions in epoxy resin by scattering of light, Macromolecular IUPAC Symposium, Warszawa 2000.
• [26] www.krosno.com.pl
• [27] Adamkiewica P., Cyniak D., Włókna szklane i ich wyroby z nich wytwarzane w zastosowaniu włókienniczym, Przegląd - WOS 10/2005.
• [28] www.basaltex.com
• [29] Bendkowska W., Techtextil 2005,Przegląd-WOS 9/2005.
• [30] Galina H., Fizykochemia polimerów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1998.
• [31] Urbańczyk G.W., Fizyka włókna, WNT, Warszawa 1970.
• [32] Ward J.M., Mechaniczne własności polimerów jako tworzyw konstrukcyjnych, PWN, Warszawa 1975.
• [33] Osiński Z., Tłumienie drgań, PWN, Warszawa 1997.
• [34] Kleszczewski Z., Fizyka klasyczna, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1997.
• [35] Kawabata S., The Main Published Papers of Profesor Kawabata, Properties of Single Fiber, In Celebration of 70 Anniversary of Profesor Kawabata’s Birthday, August, 2001.
• [36] Żyliński T., Metrologia Włókiennicza, t. II, Wydawnictwo Przemysłu Lekkiego i Spożywczego, Warszawa 1965.
• [37] Smith C.J., Mc Crackin F.L., Schiefer H.F., Stone W.K., Towne K.M., Textile Research Journal, 26, 1956, 821.
• [38] Stuart A.H., Die Physik der Hochpolymeren,4 Band, Springer Verlag, 1956.
• [39] Von Karman T., Duwez P., Journal of Applied Physics, 21, 1950, 987.
• [40] Meredith R., The Mechanical Properties of Textile Fibres, North-Holland Pu.Co. Amsterdam 1956.
• [41] Tipton H., The Depedence of the Dynamic Properties of Textile Yams on Strain and Strain Rate Conference of Mechanical Engineers, 30 April-20 May 1957, Published by Institution of Mechanical Engineers, London 1957.
• [42] Ferry J.D., Lepkosprężystość polimerów, WNT, Warszawa 1965.
• [43] Przygocki W., Włochowicz A., Fizyka polimerów, PWN, Warszawa 2001.
• [44] Krucińska I., Stypka T., Direct Measurement of the Axial Poisson’s Ratio of Single Carbon Fibres, Composites Science and Technology, 41, (1991), 1-12.
• [45] Magalas L.B., Introduction to mechanical spectroscopy, Lectures presented at Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Institut de Genie Atomique, Lausanne, Switzerland, May-June 1990.
• [46] Kappesser B., Wipf H., Barnes R.G., Beaudry B.J., A study of hydrogen diffusion in hexagonal YHX single crystals (% <0.10) by mechanical spectroscopy, Journal of Alloys and Compounds 253-254, 1997, 386-389.
• [47] Etienne S., Lamorlette C., David L., Molecular mobility and structural state relationship in amorphous polymers, Journal of Non-Crystalline Solids 235-237, 1998, 628-634.
• [48] Roebben G., Basu B., Vleugels J., Van Humbeeck J., Van der Biest O., The innovative impulse excitation technique for high-temperature mechanical spectroscopy, Journal of Alloys and Compounds 310, 2000, 284-287.
• [49] Magalas L.B., Application of the wavelet transform in mechanical spectroscopy and in Barkhausen noise analysis, Journal of Alloys and Compounds 310, 2000, 269-275.
• [50] Nowick A.S., Berry B.S., Anelastic Relaxation in Crystaline Solids, ACADEMIC PRESS, New York 1972.
• [51] McCrum N.G., Read B.E., Wiliams G., Anelastic and Dielectric Effects in Polimeric Solids, JOHN WILEY & SONS, London 1967.
• [52] Raszczuk A., Kohman Z., Dynamiczne metody badania własności mechanicznych polimerów, Polimery-Tworzywa Wielkocząsteczkowe, 1965, s. 278-284.
• [53] J.W. Ballou, J.C. Smith, Dynamie Measurements of Polymer Physical Properties, Journal of Applied Physics, vol. 20,493-501, 1949.
• [54] Faivre A., Niquet G., Maglione M., Fomazero J., Jal J.F., David L., Dynamics of sorbitol and maltitol over a wide time-temperature range, The Europan Physical Journal B 10, 277-286, 1999.
• [55] Więcek T., Optical testing of commutator, Proc. SPIE vol. 2340, (1994), 449-452.
• [56] Goodman J., Introduction to Fourier Optics, (in Russian) Mir, Moskwa 1970.
• [57] Jóźwicki R., Optyka laserów, WNT, Warszawa 1981.
• [58] Kazimierski Z., Krysiński J., Łożyskowanie gazowe i napędy mikroturbinowe, WNT, Warszawa 1981.
• [59] Tryliński W., Drobne mechanizmy i przyrządy precyzyjne, WNT, Warszawa 1978.
• [60] Instrukcja obsługi kompresorów tłokowych, Sprężarki specjalne firmy FINI.
• [61] Pneumatyka, Katalog wyrobów firmy PREMA Kielce.
• [62] Wasilewski A., Więcek T., Jonscher A.K., Testing of mechanical properties of materials by means of on optical method, Optica Applicata, Vol. XXIX, No. 3, 1999.
• [63] Wasilewski A., Więcek T„ Magalas L.B., A New Impulse Mechanical Spectrometer to Study The Dynamic Mechanical Properties of Filaments, vol. 89 (2003) pp. 343-348.
• [64] Więcek T., Wasilewski A., Dyfrakcyjna metoda pomiaru współczynnika załamania szkła, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, nr 164, s. 93-98, 1998.
• [65] Więcek T., Urządzenie do uzyskiwania wzorca szerokości szczeliny służącej do atestowania dyfraktometru, Patent PL 160943.
• [66] Kulig A., Snakowski J., Więcek T., On the Fraunhofer diffraction on a three- dimensional slit, Optica Applicata, vol. XVIII, no. 3,1988.
• [67] Więcek T., Kowalski H., On the problem of diffractographic detection of linear dimension by means of spatial filtering, Optica Applicata, vol. XVI, no. 1, 1986.
• [68] Mamczur J., Więcek T., Diffraction gratings as radiation splitters, Proc. SPIE vol. 2943, pp. 184-190, 1995.
• [69] Więcek T., Szymański A., Kowalski H., Warsza Z., Zastosowanie ugięcia światła do kontroli średnicy wałków, „Fizyka dla Przemysłu” materiały konferencyjne, Poznań 1987.
• [70] Więcek T., Socha B., Klimczyk S., Wpływ parametrów wiązki laserowej na sygnał optyczny w dyfraktometrze, „Fizyka dla Przemysłu” materiały konferencyjne, Poznań 1987.
• [71] Więcek T., Warsza Z., Kształtowanie charakterystyki przetwarzania w pomiarach szerokości małych szczelin metodą filtracji częstości przestrzennych, „Fizyka dla Przemysłu” materiały konferencyjne, Poznań 1987.
• [72] Wasilewski A., Więcek T., Badania własności mechanicznych cienkich prętów i włókien metodą pomiaru małych odkształceń dynamicznych, XXXII Międzyuczelniana Konferencja Metrologów MKM’2000, 11-15.09.2000 r., Rzeszo w-Jawor.
• [73] Wasilewski A., Więcek T., Szymański A., Jonscher A.K., Testing of mechanical properties of materials by means of optical method, Dielectric and Related Phenomena (DRP'98), t. 1, s. 251-253, 1998.
• [74] Wasilewski A., Więcek T., Badanie Własności Mechanicznych Włókien Szklanych Metodą Optyczną, Krajowy Kongres Metrologii, materiały konferencyjne, Warszawa 2001.
• [75] Żuchowska D., Polimery konstrukcyjne, WNT, Warszawa 2000.
• [76] Kołodziejski T., informacja prywatna
• [77] WWW.tainstruments.com
• [78] Bendkowska W., Włókna stosowane na tekstylia techniczne, Przegląd WOS 9/2005.
• [79] Paszkiewicz T., Wolski S., Young’s and shear moduli and Poisson’s ratio for elastic media of high and middle symmetry. PHYSICA STATUS SOLIDI B- BASIC RESEARCH, WILEY CH VERLAG GMBH, 2007.
• [80] www.basaltex.com
• [81] Gołębiowska B., Więcek T., Wasilewski A., Measurement of the Poisson’s ratio for the fibers using diffraction method, Wilga 2010, Proc. SPIE w druku.
• [82] Więcek T., Wasilewski A., Czułość dyfrakcyjnego pomiaru małych przemieszczeń, PAK 6/2010.
• [83] Sokołowski A., Więcek T., Consequences of sampling an image and Fourier planes In a numerical light propagation model based on the Helmholtz-Kirchhoff approximation. II Comparison between two numerical algorithms, J. Opt. Soc. Am. A, vol. 27, July 2010.