Detail předmětu

Nedestruktivní diagnostika a fyzika dielektrik

FEKT-MPC-NDDAk. rok: 2023/2024

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

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Vladimír Holcman, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyziky (UFYZ)

Vstupní znalosti

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.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

- Hodnocení laboratorních cvičení - 20 b (celkem 4 protokoly)
- Semestrální práce - 30 b (2 semestrální práce s obhajobou)
- Závěrečná zkouška - 50 b
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

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

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

Základní literatura

Ambrózy, A.: Electrical Noise, Budapest, Academia, 1982,
Artbauer, J., Šedovic J., Adamec,V.: Izolanty a izolácie, Bratislava, ALFA, 1969,
Böttcher, C. J. F., Bordewijk, P.: Theory of Electric Polarization, 2. ed., Amsterdam, Elsevier, 1978,
Bryknar, Z.: Fyzika dielektrik, Ediční středisko ČVUT, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, 1. vyd., Praha, 1983

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 MPC-SVE magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPC-EVM magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPC-EEN magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPC-EAK magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPC-BIO magisterský navazující 0 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., nepovinná

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., nepovinná

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.