Detail předmětu

Non-Destructive Diagnostics and Physics of Dielectrics

FEKT-MPA-NDDAk. rok: 2022/2023

Předmět se věnuje dvou moderním oblastem diagnostiky materiálů, tj. dielektrické spektroskopii a akustické a elektromagnetické emisi.
Důraz je kladem na porozumění dané problematice, aplikovaní daných znalostí a praktické zkušenosti s diagnostikou materiálů.
Během semestru budou prezentovávána následující témata:
fyzikálních zákonitostí doprovázejících chování dielektrik a izolantů v elektrickém poli, polarizační děje v dielektrikách, chování materiálů ve stejnosměrném i střídavém elektrickém poli, základních aspektech vzniku vodivosti, dielektrické absorpce, dielektrických ztrát a elektrické pevnosti látek. Dále pak základními druhy elektroizolačních materiálů, jejich roztříděním vzhledem k odolnosti vůči degradačním činitelům, zejména teplotě a elektrickému namáhání.
Z oblasti akustické a elektrické emise se bude jednat o:
Vznik a šíření signálů akustické a elektromagnetické emise, typy diagnostických čidel, typy poruch v kompozitních systémech, analýza šumových spekter použití nízkošumových zesilovačů, vhodné techniky měření a stínění systémů.
Studenti si výrazně prohloubí znalosti v diagnostice materiálů, analýze dielektrických spekter, rozboru šumových spekter, programování v prostředí Matlab a komunikace po sběrnici GPIB, RS 232 či TCP-IP.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Vladimír Holcman, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyziky (UFYZ)

Nabízen zahraničním studentům

Všech fakult

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- popsat jednotlivé druhy polarizací v dielektrických materiálech
- pojmenovat principy vzniku jednotlivých polarizací a odhadnout frekvenční závislost dielektrického spektra
- identifikovat defekty v dielektrických systémech a rozpoznat degradační procesy v materiálech
- popsat jednotlivá šumová spektra a posoudit vliv šumu na charakteristické vlastnosti součástky
- vytovřit náhradní model pasivních i aktivních součástek
- definovat příčiny vzniku akustické či elektromagnetické emise a vytvořit matematický model
- realizovat základní měření akustické emise
- vytvořit měřicí algoristmus v prostředí Matlab s komunicí po sběrnicích GPIB, RS232 a TCP

Prerekvizity

Student by měl být schopen vysvětlit základní fyzikální jevy, analyzovat jednoduché elektronické obvody, znát základní programovací algoritmy v prostředí Matlab nebo C++.
Obecně jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia. Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby znalé pro samostatnou činnost“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT. Zahrnují přednášky, cvičení odb. základů a laboratoře. Předmět využívá e-learning (Moodle).

Způsob a kritéria hodnocení

- Hodnocení laboratorních cvičení - 20 b (celkem 4 protokoly)
- Semestrální práce - 30 b (2 semestrální práce s obhajobou)
- Závěrečná zkouška - 50 b

Osnovy výuky

1. Elektrické pole, indukce, úvod do dielektrické spektroskopie
2. Dipólový moment, dielektrikum, izolant,
3. Dielektrická polarizace ve střídavém i stejnosměrném el. poli
4. Matematický popis dielektrických materiálů
5. Chování dielektrických spekter v závislosti na teplotě, tlaku a vlhkosti
6. Popis relaxačních procesů a jejich interpretace
7. Akustická emise, historický vývoj vlněmí podélné, příčné
8. Snímače akustické emise, přístrojové vybavení pro měření akustického signálu.
9. Parametry pro posouzení poruch, lokalizace poruch.
10. Akustická emise v kompozitech, akustická emise ve stavebních materiálech.
11. Elektromagnetická emise, její interpretace, snímače.
12. Metody pro zvýšení imunity měřicích systémů.

Učební cíle

- získat všeobecný přehled o využití dielektrické spektroskopie v materiálových vědách i dalších inženýrských oborech,
- získat všeobecný přehled o využití akustické a elektromagnetické emise v materiálových vědách i dalších inženýrských oborech,
- definovat základní aspekty při analýze dielektrických materiálů
- identifikova základní dielektrická spektra a navrhnout vhodnou matematickou metedu
- definovat základní charakteristiky šumu
- identifikovat charakterické příznaky šuma a určit nápravná opatření pro pasivní součátky
- vytvářet měřicí algoritmy s běžnými měřicími přístroji na sběrnicích GPIB, RS232, TCP

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Základní literatura

Ambrózy, A.: Electrical Noise, Budapest, Academia, 1982,
Böttcher, C. J. F., Bordewijk, P.: Theory of Electric Polarization, 2. ed., Amsterdam, Elsevier, 1978,

Doporučená literatura

Havriliak, S. Jr., Havriliak, S. J: Dielectric and Mechanical Relaxation in Materials: Analysis, Interpretation and Application to Polymers, Hanser/Gardner Publications, Inc., Cincinnati & Carl Hanser Verlag, München, 1997
Hedvig, P.: Dielectric Spectroscopy of Polymers, Budapest, Akadmiai Kiadó & Adam Hilger, 1977,

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPAD-BIO magisterský navazující 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPA-EAK magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPA-EEN magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Vladimír Holcman, Ph.D.

Osnova

Typy poruch, povrchové a strukturní poruchy, metody lokalizace, poruchy destruktivní a nedestruktivní a jejich identifikace
Identifikace poruch z transportních charakteristik, V-A charakteristika v přímém a zpětném směru, nadbytečný proud, generačně-rekombinační proces, degradace
Fluktuační procesy, šumová spektrální výkonová hustota a její korelace s typem poruch, nf šum jako indikátor spolehlivosti a kvality, kvantifikace parametru lambda - střední doby do poruchy
Šumová spektrální hustota u polovodičových součástek, šum homogenních struktur, tenkovrstvových a tlustovstvových odporů
Částečné výboje a šum v izolantech a kondenzátorech
Šum polovodičových laserů, slitinových tranzistorů, tranzistorů se strukturou FET
RTS šum polovodičových diod s kvantovými jamkami a tečkami, teorie pro vypracování návrhu nedestruktivního diagnostického testu
Fenomenologický popis polarizace
Druhy relaxačních mechanismů v polymerech, sklech a keramických soustavách
Matematické metody pro vyhodnocování dielektrických dat
Procesy degradace a jejich sledování dielektrickými metodami
Hlavní druhy dielektrických materiálů
Hlavní oblasti použití dielektrických materiálů a kritéria výběru dielektrik pro jednotlivé aplikace

Cvičení odborného základu

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Vladimír Holcman, Ph.D.

Osnova

Základní matematické prostředky pro popis fluktuačních a transportních jevů, šumová spektrální hustota, dielektrická spektroskopie HN-rozdělení.
Diagnostické nástroje - velikost souborů a věrohodnost výsledků, určení druhu šumu, výpočet nadbytečného proudu, výpočet parametrů spolehlivosti
Dipólové momenty základních strukturních jednotek (vazeb, molekul) , polarizovatelnost alfa v případě atomové a dipólové polarizace
Výpočet lokálního pole a přechody do ferroelektrického stavu, výpočtypermitivity materiálů z jejich struktury
Transformace z časové domény do frekvenční a naopak, Debyeův model, výpočet hustoty rozdělení relaxačních dob analyticky i pomocí počítače, Hamonova aproximace, fitování

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Vladimír Holcman, Ph.D.

Osnova

Programování v systému Matlab, praktické měření V-A charakteristik polovodičových prvků a zjišťování jejich parametrů a nadbytečného proudu
Rozbor typů šumů z experimentálně zjištěných průběhů
Měření nabíjecích a vybíjecích proudů dielektrik a transformace výsledků do frekvenční oblasti pomocí Hamonovy aproximace
Měření frekvenčních a teplotních závislostí komplexní permitivity a analýza výsledků, stanovení aktivační energie a míry kooperativity relaxačního procesu
Měření teplotních chrakteristik polymerních materiálů.