Сб. тезисов Наукоемкие технологии 20 марта 2014

Соответственно можно полагать, что на электрические свойства в данном случае в основном влияет изменение свойств поверхности модифицированных образцов.

Рисунок 5 – Зависимость проводимости композитов от содержания ШУ на поверхности BaTiO3

Введение углеродных наночастиц приводит к изменению состава поверхности титаната бария по сравнению с исходным немодифицированным образцом. Введение наноуглерода приводит к изменению ее функционального состава, связанному с увеличением содержания кислых гидроксильных групп с рКа=2,5 и рКа=4,1, снижению нейтральных гидроксильных групп с рКа=7,3 и увеличению основных гидроксильных групп с рКа=12,8 (рис.6). Наночастицы углерода адсорбируются на поверхности BaTiO3 в том числе за счет кислотных центров с рКа=4,1 и основных центров с рКа=12,8, в результате чего их количество в целом падает при введении ШУ, за исключением первого образца, возможно из-за каких-то неконтролируемых особенностей его приготовления, и соответственно падает диэлектрическая проницаемость композитов.

В то же время, вся совокупность данных дает высокую положительную корреляцию значения диэлектрической проницаемости композитов с увеличением содержания бренстедовских основных (рКа =12,8) центров на поверхности наполнителя. Это согласуется с ранее полученными результатами, согласно которым именно центры данного типа отвечают за взаимодействие титаната бария с кислотными гидроксильными группами ЦЭПС в составе аналогичных композитов и способствуют росту их диэлектрической проницаемости [1, 2].

13

Моделирование влияния наполнителя на диэлектрическую проницаемость композитов осуществляли с использованием уравнения Лихтенеккера [8]

εk 1 ε1k 2 ε2k , (1)

где 1, 2 – значения диэлектрической проницаемости титаната бария (4400) и ЦЭПС (19) соответственно;

1, 2 – объемная доля BaTiO3 (0,4) и ЦЭПС (0,6); k – константа, учитывающая структуру композита.

Поскольку структура композита определяется межфазными взаимодействиями, величина коэффициента k должна определяться их интенсивностью, которая в свою очередь коррелирует с суммарным содержанием центров с рКа=12,8 – Q(12,8). Соответственно величина коэффициента k должна быть связана с величиной параметра Q(12,8). В первом приближении можно считать, что k линейно зависит от содержания на поверхности наполнителя активных центров, по которым идет взаимодействие:

14

Представленные на рис. 7 экспериментальные данные аппроксимируются модифицированной формулой Лихтенеккера с коэффициентом корреляции 0,92, что указывает на справедливость предложенного подхода к описанию изучаемой системы.

Рисунок 7 – Точки – зависимость диэлектрической проницаемости от содержания центров с рКа =12,8 на поверхности BaTiO3; линия – аппроксимация с помощью уравнения Лихтенеккера: □– исследуемые композиты, ○– ранее проводимые исследования

Коэффициент m2 в данном случае принимает значение 0,40, что близко к значению 0,34, полученному в ранее проведенных аналогичных экспериментах [9] по модифицированию этого же образца BaTiO3 ШУ (ЦЭПС № 34) также с высоким коэффициентом аппроксимации (0,99). Таким образом, наблюдается хорошая воспроизводимость результатов аппроксимации.

Помимо диэлектрической проницаемости, важной характеристикой диэлектрических композиционных материалов является тангенс угла диэлектрических потерь. Предельные значения tg рассматриваемого композита, соответствующие конденсатору с параллельным и последовательным соединением элементов можно рассчитать по следующим формулам [10]:

где 2 – объемная доля ЦЭПС;

tg 1, tg 2 - значения тангенса угла диэлектрических потерь титаната бария и ЦЭПС соответственно.

15

В отличие от диэлектрической проницаемости тангенс угла диэлектрических потерь имеет положительную корреляцию с количеством бренстедовских кислотных центров с рКа=2,5, что согласуется с ранее полученными данными [1]. Полученные экспериментальные данные не выходят за пределы расчетных значений (рис.8).

Рисунок 8 – Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от содержания центров с рКа=2,5 на поверхности BaTiO3

Направленное модифицирование функционального состава поверхности дисперсного наполнителя позволяет изменять диэлектрическую проницаемость композита состава ЦЭПС-BaTiO3 в диапазоне 68-250 за счет управления межфазными взаимодействиями в системе посредством регулирования содержания активных центров с рКа=12,8 на поверхности титаната бария. Моделирование с использованием модифицированного уравнения Лихтенеккера адекватно описывает экспериментальные результаты и подтверждает адекватность подхода.

В целом полученные результаты перспективны для создания полимерно-неорганических композитов с высокими диэлектрическими свойствами и прогнозирования их характеристик на основе исследования функционального состава наполнителя и моделирования межфазных взаимодействий в системе.

Литература

1.Сычев М.М. Научные основы управления свойствами композиционных пленок для электролюминесцентных устройств: Дис. … док. техн. наук, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет). 2013. 289 с.

2.Хамова Т.В., Коловангина Е.С., Мякин С.В., Сычев М.М., Шилова О.А. Модифицирование субмикронных частиц титаната бария золь-

16

гель синтезом поверхностных нанослоев SiO2 для изготовления по- лимерно-неорганических композитов с улучшенными диэлектрическими свойствами // Журнал общей химии. 2013. Т.83.Вып.8. С.13651366.

3.Мякин С.В. , Корсаков В.Г. , Панова Т.И., Соснов Е.А., Фомченкова Ю.С., Сычев М.М., Шилова О.А. Влияние модифицирования BaTiO3 на диэлектрическую проницаемость его композитов с цианэтиловым эфиром поливинилового спирта // Физика и химия стекла. 2011. Т.37. №6. С.65-73.

4.Рожкова Н. Н. Наноуглерод шунгитов. – Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 100 с.

5.Алексеев С.А., Корсаков В.Г., Сычев М.М., Лихачева О.В., Родионов А.Г., Еженкова Л.Л. Влияние донорно-акцепторных центров поверхности титаната бария на свойства композитов на основе цианового эфира поливинилового спирта // Журнал физической химии. 2006. Т.80. №4. С.1-4.

6.Алексеев С.А. Влияние донорно-акцепторных свойств поверхности функциональных наполнителей на характеристики композитов с циановым эфиром поливинилового спирта: Дис. … канд. хим. наук, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет). 2005. 231 с.

7.В.Е. Мурадян, Е.А. Соколов, С.Д. Бабенко, А.П. Моравский. Диэлектрические свойства композитов, модифицированных углеродными наноструктурами, в микроволновом диапазоне // Журнал технической физики. 2010. Т. 80, Вып. 2. С.84-87.

8.Новые материалы / Под ред. Ю.С. Карабасова. – М., 2002. 736 с.

9.Коловангина Е.С., Мякин С.В., Сычев М.М., Рожкова Н.Н. Влияние

модифицирования титаната бария частицами шунгитового углерода на диэлектрические характеристики композитов на его основе // Научно-техническая конференция молодых ученых «Неделя науки 2013». СПб, 2013. С.31.

10.Дульнев Г.Н., Волков Д.П., Доброчасов М.В. // Инженернофизический журнал. 1987. Т. 52. Вып. 3. С. 425.

17

УДК 004.93'12

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЗАДЫМЛЕННОЙ СРЕДЕ

А.А. Ульяновский

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

Аннотация. Рассмотрены вопросы, связаные с совершенствованием существующих тепловизионных систем, используемых сотрудниками газодымозащитной службы МЧС России.

Ключевые слова: тепловизионные системы, тепловизор, газодымозащитная служба, непригодная для дыхания среда.

Работа сотрудников Газодымозащитной (ГДЗС) федеральной противопожарной службы (ФПС) МЧС России осложняется воздействием опасных факторов пожара: открытого пламени, искр, высокого теплового воздействия от нагретых конструкций и очага пожара, сильного задымления помещений и т.д.

Непригодная для дыхания среда (НДС) возникает в результате выделения продуктов горения, таких как CO и CO2, вследствие чего образуется высокая плотность дыма, который сильно ограничивает возможности сотрудников ГДЗС ФПС МЧС России по тушению пожара и проведению аварийно-спасательных работ (АСР). В результате пожарные остаются фактически «слепыми» и выполняют задачу по поиску и спасению пострадавших в условиях ограниченной видимости.

Использование тепловизионных приборов (ТПВ) подразделениями ГДЗС ФПС МЧС России может значительно увеличить зону видимости сотрудников в задымленной среде, в результате чего повышается безопасность личного состава звена ГДЗС и вероятность обнаружения пострадавших.

Тепловизоры – это устройства, работающие в инфракрасном диапазоне (ИК-диапазон) волн, предназначенные для обнаружения объектов, излучающих тепло. Данные устройства известны также как инфракрасные камеры.

Каждое нагретое тело испускает тепловое излучение, интенсивность и спектр которого зависят от свойств тела и его температуры. Принцип действия ТПВ заключается в том, что инфракрасное (тепловое) излучение от исследуемого объекта через оптическую систему (объектив) передается

18

на приемник, представляющий собой тепловизионную матрицу. Далее сформированный видеосигнал посредством электронного блока измерения, регистрации и математической обработки оцифровывается и отображается на экране компьютера или дисплее тепловизора (рис. 1) [1].

Рисунок 1 – Простейшая схема тепловизора

Объектив является самым сложным элементом. Цена его может доходить до 45% от стоимости всего прибора. Использовать обычное стекло для создания объектива невозможно ввиду того, что оно непрозрачно для ИК-излучения с длиной волны 8–12 мкм (в этом диапазоне работает большая часть существующих ТПВ). Именно поэтому объектив тепловизора создается из дорогого материала – германия.

Дальность обнаружения объектов в ИК-диапазоне может быть увеличена за счет применения объективов, с переменным фокусным расстоянием (трансфокаторов). При этом фокусировка ведется как в автоматическом, так и ручном режиме.

Другим важнейшим элементом является матрица (рис. 2). Матрица (решетка) миниатюрных детекторов воспринимает инфракрасные сигналы и превращает их в электрические импульсы, которые после усиления преобразуются в видеосигнал. В зависимости от требуемой чувствительности ТПВ имеет охлаждаемую или неохлаждаемую матрицу. Наличие охлаждения позволяет повысить чувствительность, но при этом растут габариты, увеличивается время выхода на режим работы, повышается стоимость (охлаждение матрицы производится до температур -210 – -170 °С) [1].

19