Фотоупругий анализ

Изотропные тела под воздействием внешних механических воздействий (сжатие, растяжение и пр.) могут становиться оптически анизотропными. Это явление может быть использовано для практических целей в таких областях, как сопротивление материалов, конструирование механизмов, строительное дело, стекольная промышленность, производство полимеров и пластмасс и др. Само явление получило название фотоупругости, а фотоупругим анализом называют поляризационно-оптический метод исследования механических напряжений.

При одностороннем сжатии (или растяжении) его направление является выделенным и играет роль оптической оси. Возникающая анизотропия соответствует одноосному кристаллу. При более сложных деформациях, например, двустороннем растяжении, образец становится оптически двуосным. Физическая причина фотоупругости заключается в деформации электронных оболочек атомов и молекул, ориентации оптически анизотропных молекул, раскручивании и ориентировании значительных участков полимерных цепей, ориентации кристаллических участков (кристаллитов) и т. п.

Для не слишком больших напряжений разность показателей преломления лучей с разной поляризацией, служащая мерой анизотропии, пропорциональна напряжению (т.е. силе, приходящейся на единицу площади). Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом фотоупругости. Если он для данного вещества известен, то по возникающей оптической анизотропии можно судить о распределении напряжений в веществе. Экспериментальным методом обнаружения и изучения этой анизотропии может служить даже простейшая установка со скрещенными николями, в которой образец вызывает просветление в монохроматическом свете. Однако значительно более чувствителен хроматический эффект. Двойное преломление обладает дисперсией, и зависит от длины волны света. Возникновение в ходе этого окрашенных полей — более чувствительный признак возникающей анизотропии, чем простое просветление в монохроматическом свете. Кроме того, распределение окраски в возникающей интерференционной картине служит качественным признаком распределения напряжений. Что касается количественных теоретических расчетов возникающих картин, то они во многих случаях довольно сложны и не всегда оправданы. Зато качественные методы обладают драгоценными свойствами простоты и быстроты. В первую очередь они удобны для прозрачных тел. Так, фотоэластический эффект в полимерных пленках и волокнах является одним из самых чувствительных методов изучения структуры полимерных цепей. Метод искусственной анизотропии с успехом применяют для обнаружения напряжений в паяных и прессованных стеклянных изделиях. Эти напряжения (часто вредные) устранить в стекле достаточно трудно. Для этого надо нагревать изделия Почти до точки плавления и затем очень медленно охлаждать. Достаточно показателен такой пример: стеклянные отливки для больших астрономических линз охлаждаются в течение многих месяцев. Роль простого и эффективного метода контроля при этом трудно переоценить.

Однако технически важные материалы (прежде всего металлы) в большинстве своем непрозрачны. В этом случае изготавливаются модели исследуемых изделий из прозрачных материалов (целлулоид, пластмассы и др.) и исследуется их оптическая анизотропия под влиянием тех же воздействий. Однако, во-первых, изготовление таких моделей значительно осложняет методику анализа, а во-вторых, всегда имеются сомнения, насколько выводы, полученные на модели, справедливы для самого изделия. Поэтому в последние годы стали применять метод косвенного анализа с помощью нанесенных пленок. Изделие покрывается отражающей краской, затем на него наносится прозрачная пленка из вещества с большим коэффициентом фотоупругости. Образец освещается через поляризатор. Отраженный, дважды прошедший через пленку свет исследуется с помощью анализатора. Оценивая напряжение в пленке, можно судить и о напряжениях в поверхностных слоях самого изделия. Сползание пленки, как и ряд других факторов, конечно, могут быть источниками ошибок.

Для трехмерного исследования напряжений используют вещества, способные сохранять анизотропию после снятия нагрузки. Такими являются, например, фенолформальдегидные пластмассы. Напряжение прикладывается к нагретой до 80—120° модели, после чего она остывает под нагрузкой до комнатной температуры. Тогда деформация в модели остается и после снятия нагрузки. Такую модель можно распилить на тонкие срезы и в них изучать двумерную деформацию на разной глубине вдоль третьего измерения. Существуют и другие способы трехмерного анализа.

Даже качественные результаты фотоупругого анализа дают ценную информацию. Метод этот находит широкое применение.

Аналогичен ему и поляризационный метод исследования жидких потоков, основанный на ориентационном эффекте Максвелла. Он применяется, например, в гидротехнических лотках для того, чтобы фиксировать момент перехода потока от ламинарного к турбулентному, и в других аналогичных задачах.

Россия все более переориентируется на торговлю в Азии, акцент все более идет на восток. Растет грузооборот, повышается количество крупных международных перевозок. Это объясняет повышенный рост спроса на полиэтиленовую пленку в Тамбове за последние годы, она становится все более востребованной. Увеличивается потребность и в других упаковочных материалах соответственно. Если следить за подобными тенденциями, быть в курсе событий, можно извлечь неплохую прибыль в долгосрочной перспективе.