Определение влияния продолжительности термического воздействия на шероховатость стекла методом атомно-силовой микроскопии

DOI:

При определении местоположения очага пожара и установления локальных температур в зоне пожара внутри здания часто объектами экспертного исследования являются оконные стекла. По своей природе стекла обладают различными физико-химическими свойствами (оптические характеристики, твердость и др.), различным внутренним (структурой, дефектами, включениями) и внешним (качество поверхности, наличие покрытий) строением. В условиях пожара, под термическим и механическим воздействием, эти свойства могут изменяться. Поэтому они могут быть использованы экспертом при исследовании объектов с пожара для решения поставленных перед ним вопросов [4; 8].

Для исследования поверхностей твердых тел широко применяют методы, позволяющие получать изображения поверхности с атомарным разрешением. Одним из таких методов может стать использование сканирующей атомно-силовой микроскопии для исследования микрорельефа стекла, подвергшегося высокотемпературному воздействию, в ходе которого он может изменяться [5].

Сканирующая атомно-силовая микроскопия позволяет не только визуализировать поверхность объектов из стекла с высокой разрешающей способностью, но и обрабатывать полученные данные и проводить их статистический анализ, результатом которого является ряд характеристик рельефа поверхности. Наиболее распространенными из них являются: средняя арифметическая шероховатость R_a и средняя квадратическая шероховатость R_rms [1; 6].

В работе [3] сообщается, что каждой температуре нагрева соответствуют свои показатели высоты пиков рельефа, и с повышением температуры прослеживается уменьшение пиков рельефа поверхности стекла. Но в данной работе отсутствуют сведения о влияние продолжительности термического воздействия на микрорельеф.

Поэтому целью настоящей работы является установление зависимости изменения шероховатости поверхности оконного стекла от температуры и времени ее воздействия.

Методика эксперимента

В качестве объектов исследования в настоящей работе были использованы три фрагмента оконного листового стекла размером 10 х 10 мм и толщиной 3 мм, вырезанные с помощью стеклореза из единого массива [2]. Размер образцов обусловлен условиями работы, используемого для исследований сканирующего зондового микроскопа «NanoEducator» в конфигурации ССМ (сканирующий силовой микроскоп) с применением прерывисто-контактного («полуконтакт-ного») метода с отображением рельефа поверхности образца [5]. Радиус зонда для сканирования поверхности составлял 70 нм. Площадь сканирования выбрана размером 15000 х 15000 нм; количество точек измерений по осям X и Y равнялось 100. Сканирующий зондовый микроскоп укомплектован программным обеспечением для проведения исследований параметров шероховатости, с помощью которого вычисляются основные статистические параметры для исходного объекта, и строится гистограмма плотности распределения значений функции для всего изображения [7].

Объекты исследования подвергались высокотемпературному воздействию в муфельной печи при температурах 300, 400 и 500 °С, при последовательном увеличении времени выдержки.

Каждый из трех стеклянных образцов, поверхность которых предварительно сканировалась, помещался в муфельную печь, разогретую предварительно до соответствующей температуры с выдержкой 30 мин от момента загрузки до выгрузки из печи. После остывания на открытом воздухе поверхность его сканировалась и образец вновь помещался в муфельную печь, где выдерживался еще 60 минут. После остывания и процедуры сканирования поверхности образец еще раз помещался и выдерживался в печи дополнительно 120 мин и тоже сканировался.

По результатам сканирования рельефа образцов построены гистограммы значений элементов изображения (высот рельефа) и вычислены значения средней арифметической и средней квадратической шероховатостей поверхности (см. рис. 1).

Рис. 1. Гистограммы распределения высот рельефа образцов до и после высокотемпературной обработки

При построении гистограмм изображения по оси абсцисс откладываются значения высот неровностей в точках изображения; по оси ординат – значения количества точек, имеющих данное значение высот. За нулевой уровень при вычислении принимается средняя высота рельефа z . Результаты измерений показателей шероховатости представлены в таблице.

Обсуждение результатов

При анализе гистограмм поверхностей образцов можно сделать предварительные выводы:

– максимальные значения высот неровностей образцов по мере увеличения продолжительности термического воздействия при постоянной температуре уменьшаются;

– при увеличении температуры термического воздействия указанные выше характеристики шероховатости уменьшаются в большей степени;

– вместе с тем, с увеличением продолжительности и температуры термического воздействия увеличивается доля максимумов высот шероховатости, имеющих меньшие значения.

На основании вышеизложенного можно сделать общее заключение, что ужесточение условий термического воздействия ведет к сглаживанию поверхностей стеклянных образцов.

Более точные, количественные результаты измерения шероховатости поверхностей представлены в таблице и на рисунках 2, 3.

Анализ графических зависимостей количественных характеристик шероховатости

Результаты измерений шероховатости поверхностей исследуемых образцов

Температура нагрева, °С	Время выдержки при данной температуре, мин	Средняя арифметическая шероховатость, нм	Средняя квадратическая шероховатость, нм
Без нагрева	–	1091	1280
300	30	889	1040
	60	719	861
	120	421	495
Без нагрева	–	874	1007
400	30	502	602
	60	402	485
	120	164	195
Без нагрева	–	988	1163
500	30	416	493
	60	277	318
	120	125	148

Рис. 2. Зависимость средней арифметической шероховатости поверхности стекла от времени выдержки в условиях постоянства температур

Рис. 3. Зависимость средней квадратической шероховатости поверхности стекла от времени выдержки в условиях постоянства температур

показывает, что наиболее интенсивно процесс сглаживания идет в первоначальный период (первые 30 мин), интенсивность этого процесса усиливается с увеличением температуры термического воздействия. В дальнейшем процесс сглаживания поверхностей принимает более спокойный, практически линейный характер (рис. 2, 3).

Заключение

Дальнейшее развитие исследований методом атомно-силовой микроскопии фрагментов оконных стекол, побывавших в зоне пожара, может дать возможность установить температуру, которой были подвергнуты стеклянные фрагменты. Расположение таких фрагментов в зоне завершенного пожара может позволить указать направление к месту наиболее горячей зоны горения в соответствии с уменьшением значений шероховатости осколков оконных стекол, побывавших в зоне горения.