Автоматизированная система испытаний материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности с контролем их пожарной опасности

Актуальность проблемы. Анализ и прогнозирование последствий функционирования, созданной научно-техническим прогрессом (НТП) техногенной сферы (техносферы): энергетики, транспорта и продуктопроводов, гидротехнических сооружений и т. д., — сложнейшая проблема и потребность, возникшие перед мировым сообществом в XX веке. Составляющие техносферы, являясь «продуктами НТП», в частности, энергетика и транспорт — буквально «пронизывают» жизнедеятельность индивида, государства и человечества в целом. Поэтому безопасность энергетических и транспортных инфраструктур и их оптимальное функционирование — становятся главными в проблеме обеспечения безопасной жизнедеятельности на нашей планете [1−4].

Аналогичным еще более «интегральным продуктом НТП», т.к. охватывает и техносферу, и биосферу, и геосферу, является проблема «пожарной безопасности жизнедеятельности», имеющая две основных составляющих [5,6]: оценки пожарной опасности окружающей нас среды (веществ, материалов, изделий, оборудования, транспортно-энергетических систем, зданий и сооружений, с учетом био-, гео-, атмосферных явлений) и её/от неё- противопожарной обороны (пожарной охраны населения и среды обитания, противопожарной защиты объектов и т. д.).

Результаты решения указанных проблем измеряются материальным ущербом и, к сожалению, человеческими жизнями: Так по данным статистики ежегодно мировое сообщество несет тяжелейшие потери [311]:

— в дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) погибают свыше 300,0 тыс. человек и более 2,0 миллионов — травмируется,.

— электрический ток поражает и травмирует более 0,01% населения планеты в год, т. е. свыше 600,0 тысяч человек.

— в пожарах погибает около 70,0 тыс. человек и свыше 300,0 тысяч — получают травмы различной степени тяжести,.

— в происшествиях на реках, морях и в океанах, в т. ч. с применением транспортных средств, погибает и пропадает без вести более 50,0 тыс. человек,.

— в геофизических катаклизмах (землетрясения, извержения вулканов грозы, дожди, лавины, оползни, холод, жара,) погибает около 40,0 тыс. человек, — в авиакатастрофах — более 1,5 тыс. человек.

Сложив прямой и косвенный материальный ущерб, возникающий при указанных событиях, получим астрономическую сумму экономических потерь — сотни миллиардов евро в год [12,13].

Социально-экономические потери от пожаров, нарастая с каждым годом, превращают и мировую, и отечественную экономики в «камеры сжигания» производимых благ и «уничтожения населения», в то время как мировые наука и практика [3−9], в том числе и российские [10−21], не нашли пока путей решения проблем пожарной безопасности жизнедеятельности (ПБЖД) из-за их междисциплинарного — синергетического характера [11,21].

Статистика пожаров, аварий в топливно-энергетических комплексах и продуктопроводах, происшествий и несчастных случаев на предприятиях, транспорте и в быту, свидетельствует об их взаимосвязи с геофизическими, техногенными и социально-психологическими факторами жизнедеятельности, т. е. с ноосферными процессами, где естественнонаучной мерой порядка и хаоса является — энтропия [22−25].

Следовательно, для сокращения указанных потерь, необходимо уметь определять термодинамические характеристики веществ, материалов и изделий из них в условиях эксплуатации, а также технических средств, зданий, сооружений и объектов в целом, чтобы «устремить к нулю» функции производства энтропии в каждой из систем и подсистем жизнеобеспечения, включая социальную энтропию, обусловленную «человеческим фактором» [26−30].

Таким образом, первая — основная проблема ПБЖД заключается в том, что существующие методические материалы, а также международные и национальные стандарты, устанавливают методы и средства определения горючести веществ и материалов, которые являются качественными, что не позволяет адекватно оценивать пожарную опасность веществ, материалов, изделий, оборудования, транспортно-энергетических средств и систем, зданий и сооружений [6,8,12−16,31].

Вторая проблема ПБЖД является следствием первой, т.к. приводит к разработке и применению методов и средств противопожарной защиты, которые неадекватны реальной пожарной опасности объектов, т.к. не выполняют своих функций компенсации опасности, для достижения требуемых пожаробезопасных параметров жизнедеятельности[6,12,31−34].

Следует отметить, что во ВНИИПО уже давно ведутся работы по исследованию пожарной опасности веществ и материалов методами термического анализа [35], и создан соответствующий банк данных (более 3000 веществ и материалов), а Беларусь уже в 2003 году ввела в некоторые свои стандарты показатели (например, энергию активации термоокислительной деструкции материала), определяемые дериватографами и соответствующими методами термического анализа [36−38], следовательно, процесс, введения количественных методов оценки вместо качественных и статистических — закономерен, и уже идет.

Действительно, наиболее эффективными, с точки зрения и фундаментальных, и прикладных наук, являются методы испытаний и исследования веществ и материалов при экстремальных условиях: при предельных давлениях и температурах, в агрессивных средах и т. п. Для исследования деградации физико-химических свойств (ФХС) веществ и материалов (ВиМ) при высоких температурах традиционно применяются методы термического анализа (ТА): термогравиметрия (ТГ), термодилатометрия (ТД), калориметрия и т. д. Они позволяют определить температуры кристаллизации, плавления, сублимации, воспламенения, фазовых переходов (первого и второго рода), а также некоторые термодинамические, (теплоемкости, коэффициенты расширения и т. д.), механические параметры (модуль Юнга, коэффициент Пуассона и т. д.) и «пожарные показатели» (теплоты плавления, сгорания, кислородный индекс и т. д.). Однако из-за «разрушающей природы» методов, а также метрологических трудностей в аттестации установок, их реализующих, методы ТА имеют большие погрешности и используются, в основном, для качественных оценок [39−45].

В последние годы получили развитие исследования материалов и изделий методом акустической эмиссии (АЭ), который основан на регистрации и анализе акустического излучения, возникающего в ходе изменения структуры и ФХС ВиМ. Метод АЭ позволяет регистрировать температуры и гистерезисы фазовых переходов (ФП) в веществах и материалах, определить некоторые их термодинамические и кинетические характеристики, в том числе в условиях многократного термического и механического нагружения в области низких и высоких температур. Отличительной особенностью метода АЭ является его «неразрушающий характер», что в свете исследования диссипативных процессов, приводящих к деградации ФХС ВиМ и их «старению», является определяющим, в том числе с точки зрения прогнозирования изменения их структуры и свойств в реальных условиях эксплуатации [46−58].

С точки зрения оценки «пожарных параметров», т. е. процессов термодеструкции, пиролиза и воспламенения в частности, метод АЭ, сопряженный с термогравиметрией или термодилатометрией, позволяет с высокой точностью зафиксировать стадии термодеструкции (размягчение, сублимацию, плавление и др.) и горения образца (момент воспламенения, процесс горения, образование коксового остатка и т. д.). Однако в аспекте достоверности результатов, получаемых методом АЭ, положение аналогичное методам ТА: метод АЭ и установки, его реализующие, метрологически не аттестовываются и используются, в основном, для качественных оценок [59−61].

Термин диагностика (diagnostikos) в переводе с греческого означаетспособность распознавать что-то, т. е. образы объектов и процессов [64].

Распознавание образов — научное направление, связанное с разработкой принципов и построения систем, предназначенных для определения принадлежности данного объекта к одному или заранее выделенному классу объектов. При этом под объектами в распознавании образов понимают различные предметы, явления, npoijeccu, ситуации, сигналы. Таким образом, основная задача распознавания образов — это установление принадлежности объекта к одному или целому классу образцов. Методы распознавания образов используются в медицине, технике, экономике, социологии, лингвистике, психологии, криминалистике, геологии, океанологии, химии, ядерной и космической физике, в автоматизированных системах различного назначения и т. д. [65]. .

Значительный вклад в развитие концептуальных основ интегральной диагностики внесли отечественные ученые: Барьяхтар В. Г., Буйло С. И., Галкин А. А., Гнеденко Б. Н., Козлов Э. В., Прус Ю. В., Степанова J1.H. в т. ч. в области пожарной безопасности — Богуславский Е. И., Гаврилей В. М., Корольченко А. Я., Костарев Н. П., Пехотиков В. А., Смелков Г. И., Тетерин И. М., Топольский Н. Г., и др.

Вместе с тем, необходимо отметить, что построение адекватных моделей для осуществления прогноза и описания изменения ФХС ВиМ, в т. ч. их пожарной опасности сдерживается отсутствием целостного теоретического обоснования общей концепции интегральной диагностики.

С другой стороны, дальнейшее развитие методов интегральной диагностики требует системного подхода к автоматизации экспериментальных исследований деградации ФХС ВиМ, а также создания эффективных программно-технических средств, обеспечивающих синхронное сопряжение и реализацию нескольких различных физических методов исследования образца в одном автоматизированном комплексе.

Таким образом, наиболее перспективным направлением решения развития теоретических основ исследования изменений структуры и ФХС ВиМ в реальных условиях эксплуатации представляется системно-физический подход, в основе которого лежит термодинамическая интерпретация деградационных процессов. Для интерпретации экспериментальных данных с точки зрения системно-физического подхода необходимо совместное использование как энергетических, так и энтропийных характеристик, установление значимых корреляционных связей между различными экспериментальными диагностическими параметрами. Такая методология позволила создать некоторые простые феноменологические модели деструктивных процессов, сформировать систему интегральных диагностических параметров [66].

В свете изложенного представляется актуальной разработка нового метода, синхронно-сопрягающего термический и акустико-эмиссионный анализ, а также автоматизированной установки, его реализующей, что позволит, во-первых, перейти к количественным показателям, характеризующим пожарную опасность веществ и материалов, а во-вторых, разработать и показать эффективность применения вероятностно-физических моделей, в т. ч. с помощью автоматизации испытаний, связывающих получаемые показатели и «старение» веществ и материалов, с параметрами пожарной опасности изделий из них, технических объектов и т. д. [67].

Цель работы, повышение эффективности аттестационных испытаний материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности, включая определение их пожарной опасности, путем автоматизации процессов регистрации и режимов испытаний ЭРМ с помощью автоматизированного комплекса, в котором синхронно сопрягаются методы и средства термического анализа (ТА), акустической эмиссии (АЭ) и электрометрии.

Объектом исследований явились методы, средства и системы испытаний материалов и диагностики их параметров, в т. ч. пожарной опасности, а предметом исследований — процессы аттестационных испытаний твердых веществ и материалов, в т. ч. на пожарную опасность, включая принципы сопряжения и способы автоматизации разных физических методов испытаний и диагностики ЭРМ.

Для достижения указанных целей в диссертации поставлены и решены следующие задачи;

1. Проведен анализ теоретических подходов в диагностике материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности и пожарной опасности изделий из них, принципов автоматизации, синхронизации и сопряжения методов и средств испытаний и диагностики ЭРМ, процессов дефектообразования, деструкции и «старения» ЭРМ в условиях эксплуатации, включая характеристики их пожарной опасности.

2. Определен «образ жизненного цикла» ЭРМ в виде многопараметрических вектор-функций их свойств в многомерном пространстве фазовых состояний материалов в условиях эксплуатации, позволяющих автоматизировать контроль их изменений, включая существующие (качественные) и дополнительные (количественные) показатели пожарной опасности.

3. Выполнено моделирование автоматизированной системы диагностики и испытаний ЭРМ для получения «образа их жизненного цикла» в условиях эксплуатации, которая позволяет достоверно идентифицировать стадии этого цикла, с помощью подсистемы термодинамического эталонирования.

4. Синтезирована структура автоматизированного комплекса диагностики и испытаний ЭРМ, позволяющего создавать «образ их жизненного цикла» в условиях эксплуатации, по которому в дальнейшем можно осуществлять идентификацию стадий безопасной эксплуатации материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности.

5. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение автоматизированного комплекса диагностики и испытаний ЭРМ, в котором синхронно сопряжены методы и средства ТА, АЭ и электрометрии, реализующие, в том числе методику диагностики существующих и дополнительных показателей пожарной опасности ЭРМ.

Для решения указанных задач применялись следующие методы исследования: теоретические — термодинамика, теория надежности, теория горения и взрыва, теория вероятности, системный анализ, математическая физика, распознавание образов, математическая логика, теория конечных автоматов, математическое программированиеэкспериментальные — акустической эмиссии, электрометрии, термического анализа, ИК Фурье-спектрометрии, алгоритмизации и структурного программирования.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые разработана автоматизированная система диагностики и испытаний ЭРМ по вектор-функциям их «жизненного цикла» (ВФЖЦ) в условиях эксплуатации, и получены новые научные результаты, а именно:

1. Разработан новый метод термического анализа (ТА) материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности, определяющий плотность образца и названный электротермобароденсиметрией (ЭТБД), полученный автоматизацией синхронного сопряжения термогравиметрии (ТГ), термодилатометрии (ТД) и электрометрии (ЭМ) ЭРМ, при циклическом изменении давления и температуры, на который получен Патент РФ (Решение ФИПС о выдаче патента от 29.05.08, № 2 006 125 486/28).

2. Спроектирована автоматизированная система диагностики и испытаний (АСДИ), создающая «образ жизненного цикла» ЭРМ в условиях эксплуатации из вектор-функций их параметров, получаемых с помощью ЭТБД, синхронно-сопрягаемой с методом АЭ, при адаптивном термобароциклировании (АТБЦ) и термобаронагружении образцов (АТБН), что позволяет идентифицировать стадии «жизненного цикла» ЭРМ.

3. Разработана методика автоматизированной диагностики и испытаний ЭРМ с помощью АСДИ, определяющая, в том числе существующие (качественные) и дополнительные (количественные) показатели их пожарной опасности, базирующиеся на разработанном автором способе совместного решения уравнений Семенова, Зельдовича и Франк-Каменецкого в точке воспламенения.

4. Создан макет автоматизированного диагностического комплекса, синхронно сопрягающий методы и средства ТА, АЭ и электрометрии, на г котором проверены и отлажены алгоритмы и программное обеспечение, реализующие АТБЦ и формирование ВФЖЦ, в т. ч. разработанную автором методику определения существующих и дополнительных показателей пожарной опасности ЭРМ, на что получен Патент РФ (№. 2 324 923 от 20.05.2008).

5. Предложен метод термодинамического эталонирования и структура автоматизированной подсистемы метрологического обеспечения (взаимной аттестации) методов ТА и АЭ по термодинамическим акустоэмиссионным (ТДАЭ) микроэталонам, имеющим калиброванные энергии и температуры фазовых переходов, на которые подана заявка на изобретение.

Практическая ценность и значимость полученных результатов заключается в следующем.

1. Разработанные в диссертации АСДИ и АКДИ корректно ускоряют процессы «старения» испытываемых ЭРМ до 1000 раз и определяют пожарную опасность исходного и «состаренного» образцов, что позволяет предложить их в качестве средств аттестационных испытаний материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности Испытательным пожарным лабораториям МЧС РФ, Центрам сертификации и метрологии Ростехрегулирования, материаловедческим предприятиям, ИЛИИ и КБ.

2. Синтезированный в ходе исследований метод ЭТБД, сопряженный с методом АЭ, создают при помощи вектор-функций «образ жизненного цикла» ЭРМ в условиях эксплуатации, что позволяет решить проблему автоматизированной диагностики дефектообразования и «эксплуатационного старения» ЭРМ, а также применить вероятностно-физические методы прогнозирования их устойчивости и долговечности, позволяющие определять время безопасной эксплуатации изделий, изготовленных из них.

3. Предложенный в работе метод автоматизированного термодинамического акустико-эмиссионного (ТДАЭ) эталонирования, реализующий динамическую калибровку и статическую поверку ТА и АЭ измерительных каналов с помощью встроенных ТДАЭ-эталонов, позволяет решить проблему метрологического обеспечения диагностики и испытаний ЭРМ и резко снизить её- трудоёмкость.

4. Разработанный в диссертации АКДИ, являясь первой отечественной установкой синхронного термического, акустико-эмиссионного и электромагнитного анализа, по существу является новым «инструментом», который может быть использован вместо двадцати установок по ГОСТ 12.1.044, для определения пожарной опасности электрорадиоматериалов, позволяющим оценивать пожаробезопасный ресурс и вероятность пожара изделий из ЭРМ (в РЭА, СВТ, ПЭО и БЭП) по ГОСТ 12.1.004, т. е. «связать» два основных пожарных стандарта.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет:

— системного подхода в применении термодинамики, теории надежности, теории горения и взрыва, теории вероятности и метода распознавания образов;

— создания и применения метода термодинамического эталонирования, позволяющего автоматизировать и реализовать динамическую и статическую поверку и калибровку измерительных каналов с помощью Т ДАЭ-этал онов;

— комплексирования современных методов и измерительных средств, позволяющих реализовать квази-изотермические и квази-изобарические режимы испытаний образцов при регистрации сигналов АЭ, параметров ТА и электрометрии, для корректного определения термодинамических потенциалов, критериев подобия и использования новейших моделей статистической обработки сигналов АЭ;

— непротиворечивости и воспроизводимости в экспериментах результатов, полученных теоретическим путем.

Апробация работы. Теоретические и практические результаты, представленные в диссертации, докладывались на 4-х научных семинарах, 9-ти Всероссийских и 18-ти международных конференциях, симпозиумах, форумах и конгрессах:

— на ХШ Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков, Тверь, 1992 г.;

— на Международном Семинаре по проблемам безопасности атомных электростанций, Нетежин (Хмельницкая АЭС), 1992 г.;

— на 3-м Международном конгрессе «Информационные коммуникации, сети, системы и технологии», Москва, 1992 г.;

— на ХП Научно-практической конференции «Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ», Москва, 1993 г.;

— на 6-й Международной конференции «Информатизация систем безопасности», Москва, 1997 г.;

— на XV конференции по физике сегнетоэлектриков, Азов, 1999 г.;

— на IV Международной конференции «КРИСТАЛЛЫ: РОСТ, СВОЙСТВА, РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ», Александров, 1999гна Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» /" ПЬЕЗОТЕХНИКА-99'7, Ростов н/Д, 1999;

— на 10-й Научно-технической конференции «Системы безопасности» -СБ 2000, Международного форума информатизации, Москва, 2000 г.;

— на Международной школе-семинаре «Применение симметрии и косиметрии в теории бифуркаций и фазовых переходов», Сочи, 2001 г.;

— на 6-м Международном форуме «Технология безопасности», Москва, 2001;

— на Международной конференции «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» /ODPO-2002/, Сочи, 2002 г.;

— на Научно-технической конференции «Научно-инновационное сотрудничество» по межотраслевой Программе Минатома и Минобразования РФ /МИФИ/, Москва, 2002 г.;

— на Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» ЮМА-2002/, Сочи, 2002 г.- на УП Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность», Туапсе, 2002 г.- на Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение», Туапсе, 2003 г.;

— на Международной конференции «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» /ODPO-2004/, Сочи, 2004 г.;

— на 24-й научно-практической конференции с международным участием «Композиционные материалы в промышленности"/ СЛАВПОЛИКОМДЯлта, 2004 г.;

— на XVII-й научно-практической конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов», Обнинск,.

2004 г.;

— на Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» /ОМА-2005/, Сочи, 2005 г.;

— на 13-й международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», Ялта,.

2005 г.;

— на Международной конференции «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» /ODPO-2005/, Сочи, 2005 г.;

— на 10-й Юбилейной сессии Российской Академии Естествознания, Москва, 2005 г.- на Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение», Туапсе, 2006 г.;

— на V российско-японском семинаре МИСиС-СГУ-ULVAC-Interactive Corporation «Оборудование, перспективные технологии, аналитические системы для материаловедения, микро и наноэлектроники», Саратов/, 2007 г.

Реализация и внедрение результатов работы. В период с 1992 по 2007 г. г., по заказам предприятий Минприбора, Минрадиопрома, Минатомэнерго, а также для 3-х зарубежных фирм: «Vilniaus Sigma» (JlHTBa), «Kvantor» (Украина) и «Stinol» (Италия), под руководством автора выполнен ряд хоздоговорных НИР, в т. ч. совместно с УЬПС АСИТ Академии ГПС МЧС РФ, в которых использованы полученные результаты, что отражено в 8 научно-технических отчетах.

В 1996;99 годах под руководством автора в рамках Межвузовской НТП Минобразования РФ 4.65 «Качество и безопасность технологий, продукции, образовательных услуг и объектов», были разработаны и апробированы основные модели и методики, изложенные в диссертации, а также получен Патент РФ на изобретение позисторов № 2 060 566 от.

20.05.96, используемых для создания калиброванных тепловых потоков.

В 2001 году по программе Минатома России и Минобразования РФ (проект VI. 10 «Комбинированный термо-акустический метод исследования веществ и материалов», рук. — д. ф-м.н., профессор, Панченко Е.М.) автором совместно с другими участниками проекта, была разработана методология синхронизации методов ТА и АЭ.

С 2002 года разработанные модели и методы были скомпонованы в спецкурс «Современные методы и средства оценки и оптимизации качества, надежности и пожарной безопасности», который автор, работая по-совместительству доцентом кафедры промышленной и пожарной безопасности в Ростовском государственном строительном университете, читает студентам старших курсов специальности 340 400 (Пожарная безопасность) и, который в 2004 году был издан и рекомендован Минобразованием РФ в качестве учебного пособия для строительных ВУЗов (УДК 504.006−331.45- П 78 — Богуславский Е. И., Белозеров В. В., Богуславский Н. Е. «Прогнозирование, оценка и анализ пожарной безопасности», Ростов н/Д, РГСУ, 2004, 151с.).

В 2005;2006 г. г., под руководством автора в рамках Программы «СТАРТ» (проект № 5823) создан макет установки «ОКТАЭДР» (Опти-ко-электронного Крио-Термо-Акусто-Эмиссионного ДериватогРафа), реализующий разработанные модели и методы, на котором проведены экспериментальные исследования образцов ЭРМ (диэлектрик и полупроводник), представленные в диссертации. На указанные способы и устройства поданы две заявки на изобретение, по которым получены Решения о выдаче Патентов РФ (№ 2 006 126 287 и № 2 006 126 486).

В 2007 году в рамках гранта Южного федерального университета (№ К-07-Т-7/4 «Современные методы и средства диагностики и испытаний материалов и изделий из них», рук.- к.ф.-м.н., с.н.с., Буйло С.И.) автором, совместно с участниками проекта, разработан электронный учебник «Современные методы диагностики материалов и изделий из них», куда автор включил полученные в диссертации результаты (http://uran.ip.rsu.ru).

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Автоматизированная система диагностики и испытаний (АСДИ) электрорадиоматериалов (ЭРМ), реализующая, с помощью метода термобароденсиметрии (ТБД), синхронно-сопрягаемого с методом АЭ, при адаптивном термобароциклировании (АТБЦ) и термобаронагружении (АТБН) образцов, формирование 38-ми параметрических вектор-функций «жизненного цикла» ЭРМ (ВФЖЦ) в условиях эксплуатации — F [Р, Т, mbЕь рь Хи ab Срь Cvj, pu yb CJii, xo Vi, Hu Foh ВЬЕЬ Ku .Gu vb Pig-?/Eh gu Щ, С^Щ, tgfTj, ?{, Hii fij-?i/(7it, L/Rit, ?i'.

2. Структура автоматизированного комплекса диагностики и испытаний ЭРМ (АКДИ) и алгоритмы его функционирования, синхронно сопрягающие методы и средства ТБД с АЭ, на макете которого проверены и отлажены модели и программное обеспечение, реализующие АТБЦ, АТБН и формирование ВФЖЦ.

3. Метод и автоматизированная подсистема метрологического обеспечения (взаимной аттестации) ТА и АЭ методов с помощью термодинамических акустоэмиссионных (ТДАЭ) микроэталонов, встраиваемых в разработанную измерительную ячейку — тигель-термоэлектродилатометр на термоакустическом шток-волноводе (ТЭД ТАШВ), имеющих калиброванные значения температур и энергий фазовых переходов первого рода.

4. Методика автоматизированной диагностики и испытаний ЭРМ с помощью АКДИ, формирующего 18-ти параметрические вектор-функции жизненого цикла материалов — F (Р, Т, т, С, р, X, а, СР, Н, a, s, p., dm, di, dp, v, Ua, dNa/dt), позволяющие определить шестнадцать существующих и дополнительных показателей их пожарной опасности — Осг, В, Тт и Чц, Тр и Ер,. Тпл и Еш, Ъпл и Етл, Тес и Eec, tp, Р0, КИ, группу горючести, совокупность которых характеризует количественно пожарную опасность ЭРМ и является его «образом жизненного цикла», по которому может осуществляться их контроль при эксплуатации.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 печатных работ, в т. ч. семь в рекомендованных ВАК журналах, учебное пособие, рекомендованное Министерством образования и науки РФ для использования в строительных ВУЗах, два патента РФ и электронный учебник, рекомендованный Южным федеральным университетом для дистанционного обучения и размещенный на одном из его сайтов (http://uran.ip.rsu.ru).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 93 формулы, иллюстрируется 61 рисунком и 6 таблицами, состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 134 наименований.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Проведен статистический анализ пожаров, который показал, что основными причинами социальных потерь являются продукты деструкции и горения, а основными источниками — электроприборы и предметы быта. Поэтому, диагностика их состояния и адекватные их текущему состоянию средства противопожарной защиты — необходимые условия сокращения числа пожаров и последствий от них. Достаточными условиями при этом являются повышение термостойкости и снижение токсичности окружающих человека «продуктов НТП», т.к. основной материальный ущерб, повреждение и уничтожение пожарами техносферы, в т. ч. жилых и производственных площадей, приходятся на продукты горения и высокую температуру, что доказывает необходимость создания нового количественного метода определения опасности ЭРМ.

2. В работе предложен такой новый метод, синхронно-сопрягающего термический и акустико-эмиссионный анализ с электрометрией, который позволяет, во-первых, перейти к количественным показателям, характеризующим пожароврывоопасность веществ и материалов, а во-вторых, разработать и показать эффективность применения вероятностно-физических моделей, в т. ч. с помощью автоматизации испытаний, связывающих получаемые показатели и «старение» веществ и материалов, с параметрами пожароврывоопасности изделий из них, технических объектов и пожарной безопасности жизнедеятельности, в частности.

3. В работе показано, что применение метода АЭ совместно с известными методами термического анализа и электрометрии, позволяет принципиально по-новому подойти к решению проблемы определения стадий процессов термодеструкции веществ и материалов, а также показателей пожарной опасности, т.к. метод АЭ обладает чрезвычайно высокой чувствительностью к процессам перестройки или повреждения структуры материалов еще на наноуровне этих процессов, т. е. единичные акты с энергией порядка всего лишь Ю-15 Дж., в том числе: а) показано, что регистрация интенсивности потока актов АЭ dNa /dt, позволяет заметно повысить точность и разрешение определения динамики процессов деструкции, т.к. первый максимум интенсивности потока актов АЭ появляется уже при температуре порядка 240 °C, т. е. примерно на 120 °C ранее, чем минимум производной dmldt, определяемой по стандартному методу DTG и соответствующий середине стадии пиролиза (разложения) исследуемого полимераб) локальные максимумы в интервале 280 — 310 °C фиксируют процессы плавления и сублимации, а в интервале 350−400°С регистрируют процессы тленияв) установлено, что наибольший максимум регистрируемой АЭ отмечается при Т=460°С и соответствует точке воспламенения, что никакими другими методами ТА экспериментально определить нельзяг) экспоненциальное возрастание потока актов АЭ после воспламенения, свидетельствует о лавинообразном накоплении повреждений в материале на стадии горения, что методом DTG фиксируется только на заключительной стадии процесса горения по слабому локальному минимуму производной dmldt при Т=650°С, соответствующее завершению процесса горения материала — стадии образования коксового остатка.

4. Проведен анализ процессов аттестационных испытаний и принципов синхронизации и сопряжения методов и средств диагностики и испытаний твердых веществ и материалов, на предмет получения вектор-функций их «жизненного цикла» в условиях эксплуатации, включая характеристики пожарной опасности.

5. Выполнено моделирование структуры автоматизированного комплекса диагностики и испытаний твердых веществ и материалов, позволяющего создавать их «образ жизненного цикла» в условиях эксплуатации, по которому в дальнейшем можно осуществлять диагностику стадий безопасной эксплуатации материалов и изделий из них.

6. Предложена модель «образа» ЭРМ в виде вектор-функции их электрических, акустических и термодинамических параметров, по изменениям которой можно осуществлять диагностику «стадий их жизненного цикла», включая условия загорания, путем совместного решения уравнений Семенова, Зельдовича и Франк-Каменецкого в точке воспламенения.

7. Разработана методология автоматизации процессов диагностики и испытаний твердых веществ и материалов, позволяющая осуществлять их ускоренное «старение» и регистрацию термодинамических, электрических и механических параметров, путем синхронного сопряжения методов термогравиметрии, термодилатометрии, акустической эмиссии и электрометрии, при термобароциклировании образца.

8. Проведен анализ достаточности предложенного синхронного сопряжения методов и установлено, что при реализации адаптивного режима термобароциклирования и термобаронагружения, в результате которого создаются «квази-изотермические» и «квази-изобарические» участки в окрестностях «особых точек» (каналов и порогов протекания, фазовых переходов, пиролиза и т. д.) и при автоматизированной регистрации в реальном масштабе времени параметров электрометрии, ТА и АЭ-методов, предложенного комплексирования достаточно, чтобы с помощью вектор-функции идентифицировать стадии «жизненного цикла» ЭРМ.

9. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение автоматизированного диагностического комплекса, в котором синхронно сопряжены методы и средства ТА, АЭ, электрометрии и ИК Фурье-спектрометрии, реализующие в том числе методику определения существующих (качественных) и дополнительных (количественных) показателей пожарной опасности твердых веществ и материалов.

10. Созданы автоматизированная система диагностики и испытаний (АСДИ) ЭРМ и макет автоматизированного диагностического комплекса (АДК) её- реализующий, на котором отлажены разработанные управляющие и вычислительные алгоритмы и программное обеспечение АСДИ, что позволило провести испытания и диагностику образцов ЭРМ, результаты которых подтвердили эффективность решения поставленных задач.

11. Разработана методика термодинамического эталонирования сопряженных ТА и АЭ методов и изготовлен ряд ТДАЭ-эталонов, которые позволяют реализовать метрологическую аттестацию АДК, как средства измерения.

12. Разработана и проверена методика определения пожарной опасности ЭРМ на АДК, что позволяет предложить их Испытательным пожарным лабораториям МЧС РФ и Центрам сертификации и метрологии Ростехрегулирования.

13. Отмечена возможность и целесообразность дополнения ГОСТ 12.1.004 и 12.1.044, разработанными в данной работе методами и методиками, а также внесение их в ТК МЭК, для включения в соответствующие международные стандарты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Развитие современной энергетики, авиационной и ракетно-космической техники, а также задачи пожарной безопасности жизнедеятельности предъявляют повышенные требования к теплофизической стойкости веществ, материалов и изделий из них. Таким образом, в настоящее время все более актуальной становится проблема практической оценки теплостойкости и определения стадий термодеструкции веществ, материалов и изделий из них.

Предлагаемое в диссертации синхронное объединение существующих способов термического анализа (TG и DT) с методами электрометрии и акустической эмиссии позволяет получить вектор-функцию динамики самых ранних стадий процессов деструкции материалов, которую не удается получить какими-либо другими физическими методами исследования.