1189

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, М 2, с. 320—323

УДК 538.6:678.067

С. И. Федотов, Ю. В. Зеленев, И. П. Федотов, С. В. Шумаев

ИССЛЕДОВАНИЕ/ВЛИЯНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРГАНОПЛАСТИКОВ

В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР

Для измерения диэлектрической проницаемости е', тангенса угла диэлектрических потерь t g 6 , удельного объемного сопротивления ру использовалась камера, изготов­ ленная из стеклотекстолита, схема которой изображена на рис. 1 . Образец 16 поме­

щался между двумя полимерными термостойкими эластичными пленками 14 и б, к которым приклеены высоковольтный 5, измерительный 11 и охранный 10 электроды из алюминиевой или медной фольги. Электроды 5, 10, 11 касаются поверхности об­ разца. Через пленку и фольгу пропущены тонкие винты 2, 4, 7, 9, 12%13, 15 с под­ шлифованной нижней головкой. С обратной стороны пленка с электродами зажима­ ется легкими гайками. Камера состоит из трех колец, нижнее 17 и верхнее 1 кольцо вставляются в среднее б, зажимая полимерную пленку. В среднем кольце высверлен канал, соединенный со штуцером /б, подсоединенным к вакуумному насосу. При вклю­ чении насоса пленочные электроды плотно поджимаются к образцу, обеспечивая необ­

рительным электродом 2 мм, диаметр измерительного электрода 500 мм. Толщина об­

разцов колебалась в пределах 1,30— 1,80 мм.

Измерение толщины образцов производилось с погрешностью ±0,01 мм. В верхнее и нижнее кольца снаружи вставляются плоские нагревательные элементы 3 специальной конструкции. Нагреватели в форме диска диаметром 100 мм выполнены в виде печатной платы неразъемной жесткой конструкции из константановой фольги толщиной 5* 1 0 - 6 м,

приклеенной клеем БФ-2 к термостойкой подложке из стеклотекстолита толщиной 2,5 мм и залитой электроизоляционным лаком 3-4100.

Токоведущие дорожки нагревателей, полученные из одного листа фольги методом фотолитографии и при травлении химическим методом (ОСТ4 Г0.010.011), образуют жесткую конструкцию вместе с подложкой. Ширина токоведущих дорожек равна 1,5 мм, а зазор между ними 0,5 мм. Отмеченное сопротивление нагревателя около 25 Ом. Диа­ метр нагревателя в два раза больше диаметра образца. Нагреватели прижимаются к кольцеобразным выступам в верхнем и нижнем кольцах измерительной камеры, в ре­ зультате чего обеспечивается постоянный зазор между ними, равный 6 мм. При вклю­

ченных нагревателях градиент температуры между точками в центре образца и точками на его окружности не превышает 0 , 2 К в стационарных условиях (в неподвижном воз­

духе) .

Температуру образца измеряли при помощи хромель-копелевых термопар, рабочие спаи которых располагались между нагревателем и пленочным электродом образца. Из­ мерение термоэлектродвнжущей силы производили с помощью лампового милливольт­ метра. Ток в нагревателе контролировался амперметром. Нагреватели в силу их иден­ тичности могли быть включены параллельно.

Толщина измерительной камеры в сборе ( ~ 2 см с нагревателями) позволяет поме­ щать ее в зазор между полюсами электромагнита размером 2,5 см. В настоящей работе использовался электромагнит типа ЭМ5318, полюсные наконечники которого имеют вид усеченного конуса с параметрами, обеспечивающими максимальное значение индукции магнитного поля в зазоре при данной силе тока. Величина тока в электромагните фик­ сировалась по амперметру. Напряжение на выпрямителе, питающем магнит, поддержи­ вается постоянным с помощью феррорезонансных стабилизаторов. Индукция магнит­ ного поля контролировалась при помощи измерителя ИМИ-3. Измерения производились

лись при заданных значениях магнитного поля. При этом образец по­ стоянно находился в межполюсном пространстве электромагнита.

Изменением тока в плоских нагревателях увеличивали температуру образца от комнатной до максимальной для последовательно задавае­ мых значений индукции магнитного поля: В = 0, 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 Тл. Образец выдерживался при установленной температуре не менее 5 мин перед снятием показаний.

При наличии магнитного поля максимум tgS смещается по темпера­ турной шкале в сторону больших температур на величину ДГ=10-^-35К (рис. 2). Наибольшее смещение максимума tg6 происходит в поле с ин­ дукцией порядка 1,5 Тл. Дальнейшее увеличение индукции приводит к меньшему смещению максимума tg б при температурах в интервале 333—393 К. Магнитное поле смещает также в сторону больших темпера­ тур кривую диэлектрической проницаемости (рис. 3). В этих измерениях суммарное время, в течение которого образец подвергается воздействию магнитного поля, составляет около полутора часов. Воздействие магнит­ ного поля на диэлектрические свойства образца оказывается аналогич­ ным влиянию давления, приложенного к образцу полимера в условиях, когда образец не может растекаться.

При измерении на постоянной частоте увеличение давления приводит к смещению максимумов дипольно-сегментальных и дипольно-групповых потерь к более высоким температурам [2]. Повышение давления вызы­ вает также увеличение времени релаксации, если при повышении темпе­ ратуры время релаксации уменьшается. Влияние давления на спектр времен релаксации и величину tg б в областях дипольно-сегментальной и дипольно-групповой поляризации противоположно действию темпера­ туры. Известно, что если с повышением температуры спектр времен ди­ польно-сегментальной поляризации не изменяется, a tg б уменьшается, то частотные зависимости фактора диэлектрических потерь при различ­ ных давлениях не различаются по ширине максимума, a tg б увеличива­ ется при увеличении давления. В области дипольно-групповой поляриза­ ции при повышении температуры обычно спектр времен релаксации су­ жается, т. е. ширина области максимума уменьшается, a tg б возрастает; при увеличении давления, наоборот, ширина областей максимумов воз­ растает, a tg б снижается.

Отмечаемая аналогия между воздействием давления на полимерные образцы и магнитного поля в нашем случае может дать возможность

Рис. 3. Влияние магнитного поля на диэлектрическую проницаемость в широком интер­ вале температур. Индукция магнитного поля £ = 0 (/); 0,5 (2); 1,0 (5); 1,5 Тл (4).

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, № 2, с. 324—328

УДК 611.84:620.1

Б. Н. Раубишко, Я. А. Купч, В. А. Черняков, X. Б. Аиде

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕНКИ КРОВЕНОСНЫХ

СОСУДОВ ПРИ ИХ СВАРКЕ

Уникальные свойства лазерного излучения, а именно: высокая моно­ хроматичность и когерентность, малая угловая расходимость, возмож­ ность фокусировки луча до пятна диаметром, соизмеримым с длиной волны, и получения больших плотностей мощности на облучаемой по­ верхности, уже в настоящее время обеспечили, широкое применение лазеров в биологии и медицине. Лазерное излучение эффективно ис­ пользуется для лечения глазных болезней, в онкологии, в хирургии, в

оно зависит от типа лазера, параметров его излучения и особенностей облучаемого объекта [1, 6—9]. Одним из механизмов биологического действия излучения лазера является фотокоагуляция, которая нашла широкое применение в офтальмологии и хирургии для выполнения опе­ раций при бескровном удалении патологических тканей и органов, для фотокоагуляции кровоточащих язв и т. д. [3, 10—12]. В частности в офтальмологии, лазерная фотокоагуляция способствует более эффек­ тивному и быстрому лечению заболеваний [13, 14]. Показано, что по­ глощение лазерного излучения тканью зависит от длины волны исполь­ зуемого лазера. При этом для аргонового лазера глубина слоя крови, на которой происходит полное поглощение излучения, является мини­

Всосудистой нейрохирургии при выполнении микрохирургических операций необходимо выключить из мозгового кровотока оперируемые сосуды, что требует поиска новых способов соединения сосудов для сокращения времени создания микроанастомоза.

Вработе [16] излучение аргонового ионного лазера было приме­ нено для лазерной сварки кровеносных сосудов головного мозга при создании экстраинтракраниальных микроанастомозов, что позволило сократить время выключения оперируемых сосудов из кровотока не ме­ нее чем вдвое по сравнению со способом соединения сосудов узловыми микрошвами. Настоящая работа отражает один из этапов эксперимен­ тальных исследований, после которых началось клиническое примене­ ние лазерной сварки кровеносных сосудов. В клинике впервые в СССР

способом лазерной сварки нами успешно выполнены 34 операции, по конструированию экстраинтракраниальных микроанастомозов.

Для оценки деформативных и прочностных свойств места соедине­ ния сосудов, полученного способом лазерной сварки, были выполнены экспериментальные исследования по определению основных параметров механических свойств этого соединения (I группа образцов), соедине­ ния сосудов только узловыми швами нитками «Этикон 8/0» (II группа)

истенки нетравмированных кровеносных сосудов (III группа контроль­ ная).

Соединение сосудов осуществляли после рассечения сонной артерии кролика по схеме конец в конец способом лазерной сварки или только узловыми швами.

Соединение артерий как способом лазерной сварки (лазер фирмы «Спектрафизикс»), так и шовным материалом выполняли микрохирургическим инструментарием фирмы «Эскулап» под операционным микроскопом фирмы «Карл Цейс» модели 310.

Исследование стенки нетравмироваииого сосуда проводили на продолжении опе­ рированного сосуда I или II группы.

Основные параметры механических свойств стенки артерий указанных выше групп определяли после 1, 4, 10, 20, 30 и 60 сут нахождения оперированного сосуда в ор­ ганизме животного. Свойства иетравмированной стенки сосуда определяли на рассто­

Образец фиксировали па канюлях п помещали в прозрачную камеру с физиологи­ ческим раствором для предотвращения высыхания исследуемого фрагмента артерии*. Исследование биомеханических параметров стенки сосуда проводили не позднее чем через 2 ч после взятия образца. Температура физиологического раствора, в котором

сосуд под нагрузкой на каждом шаге нагружения в течение 30 с. Измерения диа­ метра сосуда в месте анастомоза проводили с помощью микроскопа МПСУ-1, а дав­ ления внутри сосуда — с помощью ртутного манометра. Точность измерения диаметра

гЬ0,О01 мм. Толщину стенки сосуда в процессе деформирования рассчитывали из условия несжимаемости материала.

На основе полученных экспериментальных данных рассчитывались напряжения и деформации в окружном направлении, возникающие в месте соединения сосуда. Полученную экспериментальную зависимость 02—62 аппроксимировали выражением

02= ai[exp(a2e2) - l ] ,

где ai и яг — параметры материала, определенные по методу наимень­

сегментов артерий. Напряжения 20, 40 и 60 кПа соответствовали в среднем значениям внутренних давлений 60, 100 и 140 мм рт. ст.

Прочность соединения сосудов I и II групп после определенного количества дней пребывания оперированного сосуда в организме жи­ вотного определяли при одноосном растяжении образца, предвари­ тельно исследованного при внутреннем давлении, на специальной уста­ новке [18]. Всего выполнено 48 экспериментов по четыре эксперимента в каждой группе. Точность измерения осевой силы ±0,5 гс. Разруша­ ющие напряжения в продольном направлении a*i определяли по отно­ шению к недеформированной площади поперечного сечения сосуда.

Статистическую обработку экспериментальных результатов, полу­ ченных как при деформировании образцов внутренним давлением, так и при одноосном их растяжении, проводили путем дисперсионного ана­ лиза с использованием двухфакторных равномерных статистических комплексов [19]. На основе этих комплексов было изучено влияние таких факторов, как время нахождения оперированного сосуда в ор­ ганизме At (i= 1-4-6), способ соединения стенки сосуда В* (i= l 3),

' Эксперименты проведены на базе Института механики полимеров АН Латвий­

ской ССР.

стенки сосудов способом лазерной сварки, В2 — соединение сосудов узловыми швами, В3 — нетравмированная стенка сосуда. Однородность дисперсии всех вариантов комплекса проверена с помощью коэффици­ ента Кохрена. Для оценки эффекта раздельного или совместного влия­ ния факторов проведено сравнение показателей достоверности, полу­ ченных из экспериментальных данных, с табличными значениями критерия Фишера. Достоверность различия между двумя средними арифметическими величинами оценивали сравнением эксперименталь­ ных значений критерия Стьюдента с табличными значениями этого критерия.

Наибольшее влияние на все основные параметры механических свойств, как и следовало ожидать, оказывает фактор В* — способ со­ единения стенки сосудов (уровень значимости р<0,001).

На основе полученных экспериментальных данных установлено, что при всех уровнях напряжения относительная окружная деформация со­ судистой ткани в месте лазерной сварки, увеличивается с увеличением времени пребывания оперированного сосуда в организме животного до момента взятия его в качестве образца (рис. 1).

Относительная окружная деформация е2 лазерного соединения со­ суда, находившегося в организме до 20 сут, статистически достоверно (р<0,05) отличается от деформации е2 нормальной стенки сосуда. По­ сле 10 сут нахождения лазерного шва в организме е2 = 0,117±0,060. Через 20 сут пребывания лазерного шва в организме нет достоверного различия (р>0,05) между деформациями нормальной и подвергнутой лазерной сварке стенками кровеносного сосуда. Для лазерного соеди­ нения, находившегося в организме 20 сут, и нормальной стенки арте­ рий е2 = 0,244±0,008 и 0,254±0,100 соответственно (р>0,05).

Относительная окружная деформация соединения е2 стенки сосуда, выполненного только с помощью микрохирургических нитей, статисти­ чески достоверно (р>0,05) не отличается от деформации е2 соедине­ ния, выполненного лазерным излучением, если сравнение указанных величин производится для образцов после 10 и более сут пребывания их в организме животного. После месячного срока эти величины имеют значения 0,244±0,080 и 0,230±0,020 соответственно и не отличаются от величины относительной окружной деформации нетравмированной стенки сосуда.

Е2 кПа

Рис. 2. Зависимости касательного модуля упругости Е2 (при <т2= 20 кПа) от длитель­ ности пребывания кровеносного сосуда в организме. Обозначения те же, что на рис. 1 .

Касательный модуль упругости Е2 для соединения стенки артерии, выполненного способом лазерной сварки, с увеличением времени после операции до момента взятия образца уменьшается (рис. 2). После 20 сут пребывания оперированного сосуда в организме животного ка­ сательный модуль упругости для лазерного соединения равен 235± ±2,46 кПа и статистически достоверно не отличается (р>0,05) от со­ ответствующей величины для нормальной стенки сосуда (241,5± ±25,3 кПа). Через месяц и более после нахождения оперированного сосуда в организме значение Е2 для лазерного соединения не отлича­

Зависимость изменения удельной энергии деформации W2 (рис. 3), затраченной на деформирование образца при определенном уровне на­ пряжения, от сроков пребывания образца в организме, аналогична характеру изменения относительной деформации. Удельная энергия W2 для сосуда, соединенного лазерным излучением, увеличивается в сроки до 20 сут пребывания оперированного сосуда в организме, а после этого срока величина W2 статистически достоверно не отличается (р>0,05) от соответствующей величины W2 для нетравмированной стенки сосуда. При сроке 20 сут W2 для лазерного соединения равна 1,65±0,46 кПа, а для нормальной стенки — 1,86± 0,40 кПа при р> >0,05.

Исследование прочности лазерного соединения и соединения сосу­ дов, выполненного только узловыми ниточными швами, показало, что прочность лазерного соединения резко возрастает после 10 сут пребы­ вания оперированного сосуда в организме (рис. 4). Разрушающие на­ пряжения a*i по сравнению с o*i через 4 сут после лазерного соедине­ ния увеличиваются почти вдвое, а именно, с 560±23 до 1265±48 кПа. После 10 сут и более нахождения сосудов, соединенных способом ла­ зерной сварки, в организме животного разрушающие напряжения ста­ тистически достоверно не различаются (р>0,05), и разрыв таких образцов при их растяжении происходил не в месте лазерного шва, а по сечению нетравмированной стенки сосуда.

Узловой ниточный шов сразу после операции обладает той же проч­ ностью, что и лазерный шов. Через 10 сут пребывания образца в орга­

ходил не по швам, а по сечениям нетравмированного сосуда.

Выводы. 1. Установлено, что окружная относительная деформация, касательный модуль упругости и удельная энергия деформации, затра­

Рис. 4. Зависимости разрушающих напряжений а*, для различных видов соединений стейки кровеносного сосУДаОбозначения те же, что на рис. 1.

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1983, № 2, с. 329—335

УДК 539.3:537.226:678.067

В. Д. Штраус, М. Я. Микельсон

ВЛИЯНИЕ МАЛОЦИКЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И НИЗКОЧАСТОТНЫЕ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЯДА ПОЛИМЕРНЫХ И КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Диагностика накопления повреждений в полимерных и композитных материалах при различных видах нагружения является актуаль­ ной задачей. Несмотря на то что для изучения процесса образования и накопления микродефектов в материале применяется широкий класс методов — рассеивания рентгеновских лучей, инфракрасной спектро­ метрии, электронной и оптической микроскопии, акустической эмисии и т. п., данную проблему нельзя считать решенной [1—4]. В связи с этим интерес представляет исследование возможностей диагностики на­ копления повреждений методами, в настоящее время для этих целей не использующимися или использующимися мало. Одним из таких не­ традиционных методов является диэлектрическая спектрометрия. В на­ стоящее время накоплен обширный материал по чувствительности ди­ электрических параметров к изменениям структуры материала [5], однако относительно мало сведений об информативности диэлектриче­ ских характеристик к изменениям механических параметров материала. В то же время потенциальные возможности неразрушающего и бескон­ тактного определения диэлектрических характеристик [6] указывают на перспективность диэлектрической спектрометрии для контроля фи­ зико-механических свойств композитов.

Имеются предпосылки [5], указывающие на информативность ди­ электрических параметров в диапазоне низких частот для диагностики физико-механических свойств композитных материалов. Эти предпо­ сылки основаны на том, что изменения механических характеристик вызываются микротрещинами и расслоениями в объеме материала, имеющими размеры от нескольких микрометров до миллиметра и бо­ лее. Такие изменения структуры материала наиболее существенным образом отражаются на низкочастотных диэлектрических характерис­ тиках. Некоторые экспериментальные подтверждения чувствительности и информативности электрических релаксационных характеристик в диапазоне низких и инфранизких частот (ИНЧ) к изменениям физико­

механических свойств получены в [7].

Целью настоящей статьи явилось изучение изменений механических и диэлектрических характеристик в диапазоне ИНЧ в процессе накоп­ ления повреждений при малоцикловом нагружении ряда полимерных

и композитных материалов.

Испытывались следующие материалы: 1) стеклотекстолит СТЭФ-1 (ГОСТ 12652—74) толщиной 1,2 мм, состоящий из 10 слоев стекло­ ткани полотняного переплетения; 2) гибридный композит, состоящий из стеклоткани и бороалюминия, спрессованный на эпоксидной смоле (ис­ следовались три гибридные композиции Г1, Г2 и ГЗ с соотношением количества слоев бороалюминия и стеклоткани, равным 14/6 (тол­