Электромеханические явления в твердых диэлектриках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

о г 5 П Д - з МАР «97.

на правах рукописи

МАХМУДОВ ХАЙГУЛЛО ФАЙЗУЛЛАЕВИЧ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

Специальность 01.04.07 - физика твердого теля

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕ1ЕРБУРГ 1997 г.

Работа выполнена в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе Российской Академии наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук, профессор КУКСЕНКО Виктор Степанович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Регель В.Р.

доктор физико-математических наук, профессор Смирнов Б.И.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский Государственный

горный институт (технический универ ситет) им. Г.В.Плеханова.

на заседании диссертационного совета Д 063.38.21 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, 2 учебный корпус, ауд. 265.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГГУ

Защита состоится и М "

г. в // часов

Автореферат

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.38.21 кандидат физико-математических наук

Васильев А.А

ОБДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность - работы. Катастрофическое макроразрутаекие крупных объектов, массивов горных пород, приводящее к горным ударам к землетрясениям, предваряется различными явлениями, в том числе и электромагнитными. Электромеханические явления в твердых диэлектриках, в частности и в горных породах, представляют интерес в проблеме формирования и развития очага крупномасштабного разрушения. Предполагается, что электромеханические явления могут быть не только полезными в понимании физики развития очага разрушения, но и позволят найти новые физически обоснованные предвестники макроскопического разрушения. В этой связи исследование электромеханических явлений в твердых диэлектриках, и в том числе горных породах, является актуальным и имеет большую научную и практическую значимость.

Основные задачи работы.

1. Усовершенствовать метод бесконтактного измерения слабых электрических полей.

2. Исследовать индуцированные электрические поля при механическом нагружении твердых диэлектриков и при их поляризации

в электрическом поле.

3. Разработать новый метод измерения механических напряжений на базе закономерностей электромеханических явлений.

Научная новизна. Впервые показана взаимосвязь электромеханических явлений и электрической поляризации в твердых диэлектриках. Доказана единая термоактивационная природа релаксации индуцированного механической нагрузкой электрического поля и поля при электрической поляризации твердых диэлектриков. Найдена количественная связь между механическим напряжением и изменением поляризации в твердых диэлектриках.

Положения, выносимые на защиту.

1. Поляризация твердых диэлектриков в слабых электрических полях и индуцированное механическим напряжением электрическое поле (НЭП) имеют общую физическую природу.

2. Релаксация электрической поляризации к ИЗП является термоактивационным процессом с одними и теми же кинетическими параметрами.

3. При одновременном воздействии на твердые диэлектрики

электрического и механического полей происходит взаимодействие индуцированных эти воздействием полей.

4. Электромеханический модуль твердых диэлектриков зависит от их электрической поляризации.

5. Электромагнитные предвестники горных ударов и землетрясений являются следствием динамических перераспределений механического поля в очаге макроразрушения.

Научное и практическое значение. Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют об общности физической природы электромеханических явлений и поляризации твердых диэлектриков в слабых электрических полях. Показано взаимодействие индуцированного механическим напряжением электрического поля и внутреннего электрического поля при электрической поляризации твердых диэлектриков. Это дает основание для развития микроскопической модели взаимодействия механических и электрических полей в диэлектриках.

Практическая значимость работы связана с предложенным новым методом оценки механических напряжений по изменению поляризуемости твердых диэлектриков при воздействии механического поля. Предложена новая трактовка электромагнитных предвестников крупномасштабного разрушения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

XXX Межреспубликанский семинар "Актуальные проблемы прочности" 1994 г., г.Новгород; 5 Всероссийская школа-семинар "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", 1994 г.Борок; городской семинар "Актуальные проблемы прочности", 1995, Санкт-Петербург; семинар ИФЗ РАН; семинар отдела физики прочности Ш РАН.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы, 39 рисунков. Она состоит из введения, 4 глав и заключения. Список цитируемой литературы включает 132 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ.РАБОТЫ . .. .

Зо введении дана краткая характеристика современного состояния исследуемой области науки. Сформулирована и обоснована основная цель исследования.

В перзой главе (обзорной) изложены современные представления об электромеханических явлениях в твердых диэлектриках. Основное внимание по этой проблеме уделено диэлектрикам -стеклам и горным породам, поскольку именно они явились предметом данного исследования. Кратко обсуждены структура и электрофизические свойства этих материалов. На основе критического анализа имеющихся литературных данных сформулированы основные задачи исследования, обоснован выбор объектов исследования и экспериментальных методов.

Вторая глава является методической. Основным методом исследования являлся метод бесконтактного измерения слабых электрических полей. Основным измерительным прибором был электрометр (ЭМ) с большим входным сопротивлением (10^ Ом), что обеспечивало большое время релаксации по внутренней цепи (Ю^ с), это много больше времен релаксации, измеряемых в исследуемых объектах. Регистрирующим элементомбыл зонд, размеры которого можно было менять, исходя из требований геометрического разрешения. При внесении зонда в электрическое поле на нем индуцировался эарял (р , который связан с потенциалом поля в данной точке простым соотношением У ~ У/С где О?* - входная емкость ЭМ, ^^¿и - 0.2 10"^ Кл -чувствительность прибора (или У^тсн = 0.05 мВ), диапазон частот £ = Ю"5 - Ю5 Гц.

Кроме этого, была изготовлена специальная система крепления ЭМ, позволяющая сканировать зондом по поверхности исследуемого образца при неизменном зазоре между зондом и этой поверхностью. Величина зазора регулировалась микрометрическим винтом.

Одаоосносжимающее нагружение осуществлялось с помощью гидравлического пресса. При необходимости производился изгиб балки или консоли в специальных устройствах.

Основным объектом исследования был мрамор, как предста-

витель горных пород, не обладающий пьезоэффектом, который мог бы усложнить изучаемые электромеханические явления. Для сопоставления и проверки некоторых закономерностей использовалось оптическое стекло К-8 с известным химическим составом.

В третьей главе приведены экспериментальные результаты исследования полиризации в механическом и электрическом полях. Основные количественные результаты получены при механическом нагружении образцов одноосносжимающей,, нагрузкой. Образцы готовились в виде призм, размером 40x40x100 мм. Нагружение производилось вдоль большего размера. Регистрирующий зонд ЭМ мог сканировать по боковым поверхностям образца при сохранении постоянного зазора до поверхности образца.

Характерная картина потенциала УР , индуцированного электрического поля (НЭП) приведена на рис.1. В момент времени ■¿, на образец подавалась одноосносжимащая нагрузка Р= 0.5 предела прочности, и некоторое время она оставалась неизменной, затем в момент времени tz образец разгружался. ИЭП ведет себя при такой простой диаграмме нагружения довольно сложным образом. В момент нагружения НЭП скачком достигает своего максимального значения, а затем релаксирует практически до 0. При разгрузке возникает ИЭП противоположной направленности, которое затем релаксирует практически за то же время, что и под нагрузкой.

Приведем для сопоставления результаты при поляризации этого же образца в электрическом поле. Для этого на две противоположные стороны образца наносились электроды из эпоксидной смолы с серебряным порошком, которые имели надежный механический и электрический контакт с образцом, и несущественные для исследуемых явлений контактные эффекты. На электрода от источника постоянного напряжения подавалась нужная разность потенциалов, которую можно было плавно изменять, скачком или менять ее полярность, заземлять электроды. Разность потенциалов на электродах изменяли в пределах от 0.5 до 10 В. Поэтому электрические поля в образце можно считать слабыми. На рис.2 показано поведение ИЭП в некоторой точке поверхности, нормальной к поверхностям с электродами. Зазрр между поверхностью и зон-

"^5» тУ

-ЗО p-cí>nsi■

Рис.1. Изменение ИЭП во времени при нагружении образца из мрамора (I) и после его разгрузки (2).

"-А . ; 'Ре, mV

VI"'

■Ь,

20

40

Рис. 2. Поведение ИЭП при эле- Рис.3. Кривые релаксации ИЭП ктрической поляризации при механическом нагру-

образца из мрамора. жении (I ) и при элек-

трической поляризации (I7) для мрамора. (2) и (2') - тоже для стекла.

дом был 2 мм. Видно, что в момент подключения к электродам разности потенциалов С 2 В) поле скачком возрастает до максимального значения, а затем релаксирует, стремясь к некоторой стационарной величине Уе. ст. . Исследуемыми параметрами были %. ст. , Уе = ича*~" Те. ст. и время релаксации 1& .

Обратимся внвчале к релаксационным явлениям. Из рис.1 и 2 видно, что время релаксации ИЭП при механическом нагружении и при поляризации образца электрическим полем практически одинаково. Для наглядности на рис.3 приведено сопоставление кривых релаксации в нормированных единицах. Нормировка производилась по максимальному значению регистрируемого потенциала ИЭП. Кривые релаксации приведены для двух материалов: мрамора и оптического стекла К-8. Видно, что для одного материала кривые релаксации совпадают. Следует отметить, что времена релаксации не зависят от величины прикладываемой нагрузки и приложенной разности потенциалов. В первом приближении они описываются уравнением кинетики первого порядка

- )Ра ео^Р (- ) ( I )

где Т - характерное время релаксации.

Большинство релаксационных процессов подчиняется термоактива-ционному уравнению аррениусовского вида

К = Кс еоср С-%т) ( 2 )

где /< - константа скорости релаксационного процесса, Е энергия активации этого процесса, к - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура. Полагая для нашего случая К = можно переписать уравне-

ние релаксации ИЭП

Т езср( Е/кТ ) ( 3))

Для проверки выполнимости уравнения (3) для релаксации ИЭП, релаксационные зависимости были измерены при различных температурах в пределах от комнатной до 20С°С. Далее, из наклона зависимости бгСЬ а- ^Тоценили величину энергии активации процесса релаксации £ , которая для мрамора оказалась неожиданно низкой 0.07 г 0.08 эВ, что, в свою очередь, позволило высказать предположение, что релаксация ИЭП обусловлена переносом зарядов слабосвязанными ионами примесей. Это еогла-

суется с данными по электропроводности горных пород .в. слабых _ электрических полях, которая определяется примесными ионами при энергии активации ^0.1 эВ.

Анализируя поведение ИЭП, следует прежде всего выделить два существенно различающихся явления. Первое - быстрое появление НЭП при приложении механической нагрузки, без заметного запаздывания. Поляризация осуществляется также быстро, как и в случае поляризации электрическим полем. Второе - сравнительно медленная релаксация. Если релаксацию гложно объяснить переносом зарядов примесными ионами для компенсации НЭП, то предложить модель зозникновения ИЭП при механическом нагружении только по данным настоящих экспериментов трудно. Если считать, что ИЭП при механическом нагружении и электрическом воздействии имеет ту же физическую природу, то микроскопическая модель должна предполагать ориентацию диполей в механическом поле. Новый качественный результат можно получить при резко неоднородном распределении механического поля. Этого можно достичь, например, при изгибе консоли. В этом случае образец был в виде стержня сечением 40 х 40 и длиной 200 мм (рис.4). Один конец образца жестко крепился, а на другой надевался специальный хомут, через который подавалась нагрузка. Зонд крепился в некоторой точке у поверхности образца с зазором 2 мм. При изгибе консоли обеспечивалась неизменность зазора. При нагрузке Р4 в месте измерения образец испытывал растяжение, при нагрузке Р -сжатие. На рис.4 б приведены зависимости регистрируемого зондом потенциала ИЭП от величины сжимающего (I) и растягивающего (2) напряжения. При растяжении ИЭП имеет отрицательную полярность, при сжатии - положительную. Величина ИЭП пропорциональна градиенту механического поля. Горные породы имеют невысокую прочность при растяжении, поэтому при изгибе нагрузки были невелики, примерно на порядок ниже, чем в экспериментах при одноосном сжатии образцов (рисЛ). Тем не менее, при изгибе ИЭП было больше по величине, чем при сжатии. Это дает основание считать, что градиент механического поля является важным фактором при создании микроскопической модели ИЭП в механическом поле. Неоднородность ориентации диполей в напра.--

влении градиента механического поля и будет определять ИЭП вдоль градиента этого поля.

Глава 4- посвящена исследованиям при одновременном действии механического и электрического полей. Эти исследования проводились на образцах при их одноосном сжатии. Нагрузки при этом были не более 0.5 -г.0.6 от разрушающей, что позволяло многократно нагружать образец без заметных в нем нарушений. Воспроизводимость измеряемых величин была не хуже 80 %. Предварительно измерялось распределение ИЭП только при механическом нагружении и распределение ИЭП ненагруженного образца при изменении разности потенциалов на электродах. Это позволило выбрать положение зонда для надежных т воспроизводимых количественно измерений.

На рис.5 приведена последовательность измерений ИЭП при фиксированном положении регистрирующего зонда. В момент времени t, образец был нагружен одноосносжимающей нагрузкой Р = 0.3 от разрушающей и сразу же разгружен, при этом зарегистрирован положительный потенциал У? ИЭП. Затем, в момент на электроды подавалась разность потенциалов 2 В такой полярности, чтобы в измеряемой точке был потенциал той же полярности, что и при механическом нагружении, т.е. положительной. После выхода ИЭП на стационарный участок Уе.сгна образец подавалась та же нагрузка и образец снова разгружался. При этом потенциал ИЭП возрастал на величину ( причем суммарный потенциал обозначим через ф+ . После разгрузки образца потенциал ИЭП возвращался к Ve.cn • После этого напряжение на электродах снималось, и они на некоторое время заземлялись для электрической нейтрализации образца С "¿V ). Через некоторое время в момент на электроды снова подавалось напряжение той же величины, но противоположной полярности. Зонд регистрировал появление потенциала отрицательной полярности, который через некоторое время вьтходил на стационарный уровень - сг . Затем, образец одноосно сжимался той же самой нагрузкой (момент t6 ). Регистрируемый при этом потенциал уменьшался на величину , а результирующий потенциал ЭП - ф" . По-

сле разгрузки потенциал восстанавливался до - сг. Затем электрода заземлялись для электрической нейтрализации образца.

а У

к

/ Л ? у

1, /

/ V //

В

и У>?1 тУ

30 15

~ъо

I

(Я

Р.ИЛа

Рис.4. Схема нагружения образца изгибом (а) и зависимость потенциала С )Рр ) ИЭП от нагрузки при сжатии (I) и растяжении { 2 ),

Г»

е. ст.

*

¿г и=с

3"!

>,+ 1 .

I

у

7 '

ф"

t с

^ | \х-й

Рис.5. Последовательность измерения ИЭП при воздействии на образец механического и электрического полей.

Эта процедура измерений повторялась в одном случае при ступенчатом изменении механической нагрузки и постоянной разности потенциалов на электродах, в другом - при изменении разности потенциалов и постоянной механической нагрузке. Измеряемыми величинами были: потенциал V3'е при изменении разности потенциалов, потенциал *Рге при изменении нагрузки, увеличение 1РРе и уменьшение потенциала ЭП при одновременном воздействии механического и электрического полей, а также ауммарный потенциал ф .

На рис.б представлены зависимости потенциала ИЭП от величины нагрузки. ^Зависимость I при отсутствии электрической поляризации, качественно эта зависимость похожа на зависимость I рис.4 при изгибе образца. Зависимость 2 получена для случая совпадения полярностей ИЭП от электрической и механической поляризации, т.е. и а-, имеют одинаковые знаки. Зависимость 3, напротив, для случая противоположных полярностей ИЭП от электрической и механической поляризации. В этой области нагрузок все зависимости линейны, но их наклоны различны. Формально можно ввести по аналогии с пьезомодулем электромеханический модуль материала 36 = / др . Нет смысла говорить об абсолютных значениях этого модуля, т.к. ^ зависит от конструкции зонда, его размеров, зазора между зондом и образцом и др. Но относительное изменение ¿6. может характеризовать влияние механической нагрузки на ИЭП. Можно утверждать, что, когда полярности ИЭП от электрической и механической поляризации совпадают, то электромеханический модуль возрастает и наоборот он уменьшается при несовпадении полярностей. На рис. 7 приведены относительные количественные изменения потенциала ИЭП при действии одной и той же механической нагрузки С Р = пост.) и изменении электрической поляризации. На этой зависимости можно выделить три участка. Точка на вертикальной оси соответствует потенциалу ИЭП при Ре = 0. I участок - ИЭП от действия электрического и механического полей совпадают по знаку. В этом случае при одной и той же нагрузке отклик образца на нагружение,больше, т.е. модуль возрастает. 2 и 3 участки - ИЭП от действия электрического и механического полей имеют

напряжения Р при одноосносжимающем нагружении:

1 - при отсутствии поляризующего электрического поля»

2 - при совпадении полярностей электрической и ме-

ханической поляризации,

3 - при противоположной полярности электрической по-

ляризации по отношению к механической (мрамор).

20

ю •

Рис,?. Зависимость потенциала ЛЗП при односскосжимаедей нагрузке Р = 20 МПа от электрической поляризации ( ¥{> ) образца мрамора.

противоположные знаки. В этом случае электромеханический модуль уменьшается и при некотором значении образец как бы "не чувствует" механическую нагрузку. Интересно, что при возрастании отрицательного потенциала поляризующего электрического поля (при|-при подаче нагрузки появляется потенциал, но отрицательной полярности. Таким образом происходит довольно сложное взаимодействие полей электрической и механической поляризации .

Еще один параметр представляет интерес, особенно для практических целей. В этом случае, обратимся к рис.5. При совпадении полярностей ИЭП от электрического и механического полей суммарный потенциал ф возрастает при приложении нагрузки (верхний рис.), обозначим его ф>~ , а при противоположных полярностях (нижний рис.) суммарный потенциал уменьшается при приложении нагрузки (обозначим его ф~ ). Рассмотрим их сумму:

ф г ф> 4 ф" г <рв.с* + ¥?Ре- Ъ.сг. * ( 4 )

Обобщенный параметр ф , полученный суммированием потенциалов при одновременном действии нагрузки и электрического поля при двух противоположных полярностях на электродах и равных модулях оказывается равным сумме .изменений потенциалов при приложении нагрузки. Эта зависимость линейна, поскольку является суммой двух линейных зависимостей (2 и 3). Кроме того, она слабо зависит от величины электрического поляризующего поля, при его увеличении наклон зависимости 2 увеличивается, а для зависимости 3 - уменьшается. Это делает эту зависимость,в принципе, полезной для измерения неизвестных механических напряжений, например, в массиве горных пород. Основная принципиальная сложность при оценке механических напряжений таким способом состоит в наличии релаксации ИЭП. Поэтому данный метод скорее может быть пригоден для измерения изменений механических напряжений, что не менее важно для прогнозирования динамических проявлений макроскопического разрушения.

Итак, результаты данной главы убедительно свидетельствуют о взаимодействии ИЭП при механической и электрической поляризации. Это взаимодействие не ограничено простым аддитивным сложением потенциалов полей, а имеет более сложную природу.

Для понимания этого явления недостаточно только феноменологических исследований, проведенных в данной работе. Необходимо теоретическое развитие микроскопической модели, возможно на более простых по строению материалах. Но уже из настоящего исследования вытекают следствия, полезные в практическом использовании, в частности, направленного изменения электромеханического модуля твердых диэлектриков, сценки механических напряжений и их изменений в нагруженном теле. Эти оценки могут быть полезны при интерпретации электромагнитных предвестников крупномасштабного разрушения, в том числе горных ударов и землетрясений.

ОСНОВНЫЕ МОГИ И ВЫВОДЫ.

Основным итогом диссертационной работы является утверждение, что электрические поля, индуцированные механическим напряжением и электрическим полем, имеют много общего в своей физической природе и достаточно сложным образом взаимодействуют между собой. Несмотря на то, что многие аспекта этих явлений еще не до конца раскрыты, в целом по диссертации можно сформулировать вполне конкретные и обоснованные выводы.

1. Усовершенствована методика бесконтактного измерения потенциалов слабых электрических полей при сканировании измерительным зондом вдоль исследуемой поверхности образца.

2. Выявлены общие черты электрических полей, индуцированных воздействием механического напряжения и электрической разностью потенциалов, приложенных к образцу.

3. Показано, 'что релаксация индуцированных электрических полей в твердых диэлектриках является процессом термоактиваци-онным с достаточно низкой энергией активации (не более 0.1 эВ), что объясняется переносом зарядов елабосвязанндаи ионами примесей .

4. Поляризация твердых диэлектриков слабыми электрическими полями оказывает существенное влияние на электромеханические явления, увеличивая или уменьшая электромеханический модуль в зависимости от взаимной напрвленности внешнего электрического поля и поля, индуцированного в образце механическим

напряжением.

5. Предложен новый метод измерения механических напряжений и их изменений в нагруженном теле по измерению поляризации при двух взаимнопротивоположных направленно стях внешнего поляризующего поля.

6. Предложена интерпретация электромагнитных предвестников горных ударов и землетрясений. Эти предвестники свидетельствуют о быстрых динамических перераспределениях механических напряжений в активно развивающемся очаге макро раз рушения.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы:

1. Куксенко B.C., Махмудов Х.ф., Станчиц С.А. Электромеханические явления в горных породах. Сб. "Материалы со сложными функционально-механическими свойствами, компьютерное конструирование материалов", под ред. В.А.Лихачева и др., 1994, Новгород, с.З-б.

2. Куксенко B.C., Махмудов Х.§., Станчиц С.А. Генерация упругих и электромагнитных импульсов растущей трещиной. Тез. докл. I Междунар.конф. "Актуальные проблемы прочности", 1994, Новгород, с.15.

3. Куксенко B.C., Махмудов Х.Ф. Механоэлектрические явления в твердых диэлектриках. Письма в Ш'Ф, 1997,

4. Куксенко B.C., Махмудов Х.3>., Пономарев А.В» Релаксация электрических полей, индуцированных механической нагрузкой в природных диэлектриках. ШТ, 1997.

5. Журков С.Н., Куксенко B.C., Махмудов Х.Ф., Пономарев A.B. Влияние механического поля на поляризацию природных диэлектриков. Доклады РАН, 1997, в печати.