PRE-RECORDED STRESSING AFFECTS THE OUTPUT OPTICAL SIGNAL OF THE MEСHANOLUMINESCENCE SENSOR ELEMENT

Татмышевский К.В.¹, Власов А.С.²

¹Доктор технических наук, ²Аспирант,

Владимирский государственный университет

ВЛИЯНИЕ ПРЕДЫСТОРИИ НАГРУЖЕНИЯ НА ВЫХОДНОЙ ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ МЕХАНОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО СЕНСОРНОГО ЭЛЕМЕНТА

Аннотация

Механолюминесцентное излучение в сульфидах цинка происходит вследствие их пластической деформации. При каждом нагружении будет изменяться дислокационная структура материала. На интенсивность излучения влияет начальная плотность дислокаций в кристалле. Было произведено математическое моделирование многократных нагрузок материала. В результате работы было описано влияние предыстории нагружения на выходной оптический сигнал механолюминесцентного сенсорного элемента.

Ключевые слова: механолюминесценция, дислокационная структура, предыстория нагружения.

Tatmishevskiy K.V.¹, Vlasov A.S.²

¹Doctor of Technical Sciences, ² PhD student,

Vladimir State University

PRE-RECORDED STRESSING AFFECTS THE OUTPUT OPTICAL SIGNAL OF THE MEСHANOLUMINESCENCE SENSOR ELEMENT

Abstract

Meсhanoluminescence emission in zinc sulphides is due to plastic deformation. Every time the force is applied to the material its dislocation structure will change. The initial dislocation density in the crystal affects its radiation intensity. Different stressing scenarios were mathematically modeled. The result of the work is the description of how the pre-recorded stressing affects the output optical signal of the meсhanoluminescence sensor element.

Keywords: meсhanoluminescence, dislocation structure, optical signal, pre-recorded stressing.

Широкому распространению сенсорных элементов на основе явления механолюминесценции препятствует отсутствие достаточной воспроизводимости оптического излучения, возникающего в одном и том же материале в процессе многократных нагрузок. Возможной причиной таких расхождений может быть то обстоятельство, что исследователи не контролировали как фактически имеющуюся дислокационную структуру кристаллических образцов, так и предысторию их механического нагружения. С помощью разработанной на кафедре ПиИИТ ВлГУ математической модели был проведен расчет влияния предыстории нагружения на выходной оптический сигнал механолюминесцентного сенсорного элемента.

Механолюминесцентное излучение возникает в чувствительном элементе в процессе пластической деформации. В соответствии с основами теории дислокационной микропластичности при каждом акте пластической деформации будет изменяться и дислокационная структура кристалла. Причем  направление изменений дислокационной структуры будут зависеть от ее фактического состояния и от предыстории механических нагружений.

Если начальная плотность дислокаций ( ) материала больше критического значения ( ), то с действием каждого последующего импульса давления общая плотность дислокаций должна возрастать, а плотность подвижных дислокаций должна уменьшаться. Тогда уменьшение плотности подвижных дислокаций должно приводить к снижению интенсивности излучения с каждым новым циклом. Для оценки величины уменьшения амплитуды светимости при многократном действии импульса давления было проведено численное моделирование. В программе расчета использовался цикл, в котором конечная общая плотность дислокаций  после действия предыдущего импульса давления подставлялась как начальная плотность дислокаций +1 для следующего нагружения [1].

Расчеты проводились для многократного действия импульсов давления полусинусоидальной формы с амплитудами σ_А = 90 МПа и σ_А = 180 МПа. Длительность воздействующего импульса давления составляла t_σ = 60 мкс. Результаты расчетов приведены на рис. 1.

Рис. 1 Влияние количества циклов нагружения на амплитуду энергетической светимости механолюминесцентного чувствительного элемента

Результаты расчетов показали, что в первом случае ( МПа) спад интенсивности излучения вдвое происходит после 2600 нагружений, а во втором ( МПа)  – после 1300 (количество циклов нагружения указано приблизительно).

Полученные величины спада излучения позволяют сделать вывод о возможности применения механолюминесцентных чувствительных элементов в условиях воздействий многократных импульсных давлений.

Получены характеристики изменения светимости в зависимости от количества нагружений при различной начальной плотности дислокаций (N_tD). Для моделирования были выбраны значения плотности дислокаций, равноудаленные от критического значения ( ). На рис. 2, 3 приведены зависимости светимости механолюминесцентного материала от количества нагружений для выбранных значений начальной плотности дислокаций (  и ). Интервал между соседними кривыми составляет 100 нагружений.

Рис.2 График светимости при N_tD=1,5 ∙ 10¹¹

Рис.3 График светимости при N_tD=0,5 ∙ 10¹¹

Из графиков на рис. 2, 3 видно, что при значениях N_tD > N_tкр расчетная светимость механолюминесцентного материала уменьшается с увеличением числа нагружений. При значениях N_tD < N_tкр  величина светового потока увеличивается с ростом количества нагружений, причем по мере «приближения» значений N_tD к N_tкр  величина изменения светимости снижается.

При воздействии на механолюминесцентный материал серии нагружений амплитуда импульса давления оказывает значительное влияние на величину уменьшения энергетической светимости с ростом количества механических воздействий. Так при амплитуде импульса, равной 180 МПа снижение светимости механолюминесцентного материала на 30% происходит после 700 (здесь и делее количество циклов указанно приблизительно) нагружений, при амплитуде 90 МПа такое же снижение светимости (30%) наблюдается после 1400 циклов нагружения. Снижение светимости на 70% при амплитуде 180МПа происходит после 2000 нагружений, при амплитуде 180 МПа снижение светимости на такую же величину (70%) наблюдается после 4500 циклов нагружения.

Наиболее значимой характеристикой механолюминесцентного материала, влияющей на величину светимости является начальная плотность дислокаций. При  значении начальной плотности дислокаций, характерной для монокристалла, величина светового потока, возникающего при каждом последующем импульсе нагружения, увеличивается вследствие увеличения плотности подвижных дислокаций. Увеличение светимости происходит при значениях начальной плотности дислокаций меньше значения критической плотности дислокаций. При величине начальной плотности дислокаций, превышающей критическое значение, с каждым последующим нагружением происходит уменьшение плотности подвижных дислокаций и соответственно снижается величина светового потока.

Знание выявленных зависимостей позволяет вводить корректировки при обработке сигналов механолюминесцентных датчиков, что в свою очередь приведет к повышению точности измерений при многократном использовании одного чувствительного элемента.

Литература

1. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсорные элементы. Основы теории, расчета и вопросы проектирования. Владимир: ВлГУ, 2004. 136 с.

References

1. Tatmyshevskij K.V. Mehanoljuminescentnye sensornye jelementy. Osnovy teorii, rascheta i voprosy proektirovanija. Vladimir: VlGU, 2004. 136 s.