Лазерні технології

Таблиця 1. Основні властивості поліетилену

Властивості	ПЕНП	ПЕВП	СВМПЕ
	ПЕВП	ПЕНД	ПЕСД
Густина, кг/мі	918-935	945-955	960-970	940
Температура плавлення, С	105-115	130-135	130-135	125-135
Температура розм'якшення, С	60-65	80-90	80-100	110-120
Молекулярная маса промислових марок, 10-4	2-5	7-35	4-7	350-600
Модуль пружності при згині, МПа	80-260	1000-1200	1070-1100	1070-1100
Разрушающее напряжение, МПа при: розтягуванні згині
	10-16	22-32	25-38	28-32
	12-17	20-35	25-40	30-40
Відносне подовження, %	150-600	400-800	200-800	400-500
Ударна в язкість, кДж/мІ	Образец не ломается
Твердість по Бринеллю, МПа	15-25	45-60	55-60	40-50
Питома теплоємність, кДж/(кг*К)	2,1-2,8	2,3-2,7	2,3-2,7	2,5-2,9
Коефіцієнт температуропровідності, Вт/(м*К)	0,2-0,3	0,27	0,27	0,28
Коефіцієнт лінійного розширення, 104 град-1	2,2-2,5	2	2	2
Показник текучості розплаву, г/10 мин	0,2-20	0,1-15	0,2-10	0,2-0,3

Таблиця 2. Теплофізичні властивості поліетилену

Поліетилени	Теплопровідність, л, Вт/(м*К)	Теплоємність, с, кДж/(кг*К)	Температуропровідність, a*107, мІ/с	Середній КЛР (в*105)
ПЭВД (ПЭНП)	0,32-0,36	1,8-2,5	1,3-1,5	21-55
ПЭНД (ПЭВП)	0,42-0,44	2,9-2,1	1,9	17-55

Таблиця 3. Температурные характеристики полиэтилена

Поліетилен	Межа робочих температур	Теплостійкість по Мартенсу, С	Температура плавлення, С
	верхня	нижня
Поліетилен високого тиску ПЭВТ (ПЭНП)	60-70	-45	-	100-108
Поліетилен низького тиску ПЭНТ (ПЭВП)	70-80	-60	-	120-135

3.2 Результати експериментальних досліджень

В експерименті використовувався СО₂ - лазер з характеристиками: наповнення: СО₂ N He, потужність 80 - 100 Вт, довжина активної частини: 1600 мм, діаметр капіляра: 10 - 12 мм, діаметр пучка: 4 - 6 мм, лінза фокусуюча збиральна, використовувались германієві дзеркала.

Температура нагрівання об'єму визначає кінцевий результат лазерного впливу, це коагуляція або випаровування (оплавлення). Можливість досягнення необхідного стрибка температури залежить від енергетичних параметрів лазерного променя, часу його дії, теплофізичних характеристик поліетилену і об'єму, в якому виділяється світлова енергія [29].

При дії імпульсу лазерного випромінювання з довжиною хвилі л, що лежить у діапазоні 0,4…12 мm, його енергія поглинається в поверхневому шарі поліетилену і перетворюється в тепло. Теплова енергія, в свою чергу, нагріває поверхневий шар (при високих потужностях імпульсу поліетилен нагрівається до високої температури і може розплавлятися та випаровуватися). За рахунок теплопровідності матеріалу тепло передається від поверхні в глибину об'єму (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Взаємодія лазерного випромінювання з поліетиленом:

де ПМ - полімерний матеріал; q(t) - потік світлової енергії; T (x, t) - розподіл температури; х - напрямок поширення тепла в об'ємі поліетилену;

t - час після закінчення імпульсу випромінювання.

Профіль температури в об'ємі полімеру в різні моменти часу визначається з розв'язку рівняння теплопровідності. Такі розрахунки дають можливість визначити теплові режими дії ЛВ, і щоб провести такі розрахунки потрібно знати основні тепло фізичні параметри поліетилену.

Специфіка задачі полягає в тому що, на границі дентин - пульпа (координата х₁) приріст температури ДТ(х₁) на протязі всього процесу поширення теплової хвилі не повинно перевищувати величини ~ 5^оС (рис. 3.2). Ще одна обмежуюча умова, що визначає область використання задачі потребує, щоб на поверхні полімеру температура суттєво не перевищувала температуру випаровування речовини Т_вип. Тому необхідно виміряти густину, теплоємність і коефіцієнти теплопровідності матеріалу.

На границю х=0 півпростору х?0, який заповнений однорідною речовиною, і являє собою полімер, надходить потік енергії q(t), Вт/смІ (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Розподіл температури в полімерному матеріалі

Рівняння теплопровідності в цьому випадку має вигляд:

х>0, t>0 (1)

З граничною і початковою умовами:

-? (2)

де а²=?/сс - коефіцієнт температуропровідності; с - густина поліетилену; с - питома теплопровідність.

В задачі про розповсюдження тепла після закінчення лазерного імпульсу приймаємо початковий розподіл температури в поліетилені д - подібним:

(3)

(4) - поглинута енергія лазерного імпульсу;

Е_t - енергія що іде на нагрів поверхневого шару тканини;

t_i - тривалість імпульсу ЛВ;

Т₀ - власна температура тканини;

д(х) - функція = Дірака.

Розв'язок рівняння теплопровідності з початковою умовою (3) в відсутності теплообміну з оточуючим середовищем на границі х=0, має наступний вигляд:

(5)

де t - час, що відраховується з моменту закінчення лазерного імпульсу;

а² - коефіцієнт теплопровідності;

с - густина;

с - питома теплоємність;

х - напрямок поширення тепла в поліетилені;

Т₀ - власна температура поліетилену.

Графічний розрахунок розподілу температури в об'ємі поліетилену Т(х) для двох різних значень t

Вихідні дані для розрахунків

Теплофізичні характеристики поліетилену:

- Густина поліетилену (г/смІ):

- Теплопровідність поліетилену (Дж/см*град):

с = 1.25

- Коефіцієнт теплопровідності (Вт/см*град):

е = 0.4*10³

- Коефіцієнт температуропровідності (смІ /с):

Енергетичні характеристики ЛВ:

- Середня потужність імпульсу (Вт):

q = 2*10⁵

- Тривалість імпульсу (с):

t_i = 100*10^-6

Розв'язок.

Обчислюємо поглинуту енергію лазерного імпульсу:

Так як енергія, яка йде на нагрівання поверхні тканини (плавлення, випаровування) нам відома E_t = 0.05 Дж, знаходимо загальну енергію E₁:



Далі розраховуємо розподіл температури в об'ємі тканини Т(х) при двох різних t, де значення х змінюється від 0 до 0,1 см з кроком 0,01 см, і за цими даними будуємо графічні залежності Т(х) для t₁ = 0.07 c; t₂ = 0.3 c (рис. 3.3, 3.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.4 Розподіл температури в об ємі поліетилену Т(х) для t₂=0.3 c.

Графічний розрахунок залежності температури тканини від тривалості імпульсу T(t_і) на глибині х

Розрахуємо 10 значень Е₀ (поглинуту енергію лазерного імпульсу), якщо відомо, що q = 2•10⁵ Вт, а t_і змінюється від 100•10^-6 с до 1000•10^-6 с (з кроком 100•10^-6 с). Далі розраховуємо розподіл температури в тканині Т(t_і) від тривалості імпульсу, і по одержаних значеннях будуємо графічну залежність Т(t_і) (рис. 3.5, 3.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Висновки

1. В даній дипломній роботі було розраховано і досліджено технологію лазерного різання полімерних матеріалів СО₂-лазером. (наповнення - СО₂ N HE, потужність 80-100 Вт, напруга 25 кВ, довжина хвилі 10,6 мкм, довжина активної частини 1600 мм, діаметр пучка 4-6 мм, використовувалась фокусуюча збиральна лінза, германієві дзеркала).

2. Розглянуті можливості лазерних термічних технологій в основі яких лежить термічний вплив на матеріал поглиненого лазерного випромінювання. При падінні лазерного випромінювання на матеріал ефективність використання енергії лазерного пучка залежить від властивостей поверхні матеріалу.

3. Розглянутий фізичний принцип взаємодії лазерного випромінювання з полімерними матеріалами. Ефективність лазерного руйнування полімерних матеріалів залежить від кількості поглинутої енергії при певній густині потужності. На процес руйнування полімерних матеріалів великий вплив мають теплофізичні властивості матеріалу. Для більшості полімерів коефіцієнт теплопровідності лежить в межах (0,15…0,50)*10^-2 Вт/см*К. Полімери є поганими провідниками тепла і всі ефекти, пов'язані з руйнуванням, будуть поверхневими.

4. Були проведені розрахунки розподілу температури лазерного випромінювання в об'ємі поліетилену для двох різних значень часу та залежності температури поліетилену від тривалості імпульсу. Встановлено, що лазер на якому проводилось різання поліетилену не доцільно використовувати для цієї технології, він має завелику потужність, великий діаметр пучка та використовувалась погана лінза, що призвело до того, що поліетилен, лазер не різав, а палив.

Список використаної літератури

1. http://www.proelectro.info/content/detail/4259

2. http://www.ati.com.ua/bs/

3. http://www.bystronic.ua/laser/index.php

4. http://pos-material.com.ua/

5. Виробництво кручених і текстурованих хімічних ниток. / Усенко В.А. - М.: Легпромбитіздат, 2003. - 280 с.

6. Текстильне матеріалознавство та основи текстильних виробництв. / Садикова Ф.Х. - М.: Легпромбитіздат, 2003. - 288 с.

7. http://www.reisrobotics.de/en/Products/Robots

8. http://www.prclaser.com/

9. Виробництво азбестових технічних виробів. / [Шанін Н.П., Бородулін М.Н., Колбовский Ю.Я.] - Л.: Хімія, 2005 - 240 с.

10. Загальна технологія гуми. / [Кошелев Ф.Ф., Корнєв А.Е., Буканов А.М.] - Барнаул: АлтГТУ, 2004. - 528 с.

11. Технологія ракетних та аерокосмічних конструкцій з композиційних матеріалів./ Буланов І.М., Воробей В.В. - М.: МГТУ ім. Н.Е. Баумана, 2001 - 521 с.

12. Композиційні матеріали./ Анікєєва Л.М., Маркін В.Б. - Барнаул: АлтГТУ, 2007. -138 с.

13. Полімерні композити. Одержання, властивості, застосування. / Барашков М.М. - М.: Наука - 2007. - 134 с

14. Промислове застосування лазерів. / Під. ред. М. Кебнера, М. 2009 - 138 с

15. Довідник по лазерах./ А.М. Прохорова. Том 1, М. - 2008 -165 с.

16. Принципи лазерів, перев. з англ./ Звелто О.М. 2009 - 200 с.

17. Дія випромінювання великої потужності на полімери./ [Анісімов С.І., Імас Я.А., Романов Г.С., Ходико Ю.В.] - М.: Наука, 2007. - 276 с.

18. Фізичні процеси при лазерної обробрки матеріалів/ Веденов А.А., Гладуш Г.Г. - М.: Вища школа, 2005. - 211 с.

19. Лазерна термохімія. Основи і застосування / Карлов Н. В, Кириченко Н.А., Лук'янчук Б.С. - М.: Центрком, 2005. - -370 с.

20. Laser Processing and Chemistry / Bauerle D. - Berlin,: Springer, 3rd ed. -2000. 146 р.

21. Старіння і стабілізація полімерів на основі полівінілхлориду / Мінскер К.С., Колесов С.В., Заїка Г. Є. - М.: Наука, 2002. - 279 с.

22. Semiconductor Lithography / Moreau W.M. - NewYork: Plenum, 2010 - 126 с.

23. Ultraviolet-laser ablation of organic polymers / Srinivasan R., Braren B 2010 - 159 р.

24. Chem. Rev./2008. V. 89. №.6. P. 1303-1316.

25. Дослідження режимів лазерної модифікації полімерів за допомогою ІЧ лазерних пристроїв / Каменський В.А. - 2009 - 119 с.

26. Радикальна полімеризація при глибоких ступенях перетворення / Гладишев Г.П., Попов В.А. - М. Наука, 2004 - 393 с

27. Про механізм ефекту при радикальній полімеризації високомолекулярних зєднань, серія А. / Бітюрін Н.М., Генкин В.Н., Зубов В.П., Лачинов М.Б. - 2001-1709 с.

28. Masuhara H. et al. Chem. Phys. Lett. 2008 - P. 103-107.

29. Polym. Degradation and Stability. / Srinivasan R. 2009-P. 193-200.

30. Безпека життєдіяльності / Е.А. Арустамов. - М.: Ізд.центр Акад., 2009. - 560 с

31. Безпека життєдіяльності: навч. для вузів / За заг. ред. Бєлова С.В. 2-ге вид., Испр. і доп. / С.В. (Бєлов, А.Ф. Козьяков, Л.Л. Морозова, А.В.) Ільницька. - М.: Академія, 2007. - 256 с.

32. Безпека життєдіяльності: Навчальний посібник для студентів вузів / Т.А. Хван, П.А. Хван. - Ростов-на-Дону: Фенікс, 2007. - 123 с.

33. Міжнародні економічні відносини: Підручник для вузів / під ред. В.Є. Рибалкіна. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. - 605 с.

34. Світова економіка / Підручник за ред. А.С. Булатова. - М.: Юрист, 2005. - 734 с.

35. Державне регулювання в галузях ПЕК / А.В. Мухін / / ПЕК - 2001. - С. 170 - 174

Размещено на Allbest.ru