Процессы разрушения и релаксации в полиметилметакрилате при импульсных воздействиях

Торшхоева, Зейнап Султановна

Процессы разрушения и релаксации в полиметилметакрилате при импульсных воздействиях тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Торшхоева, Зейнап Султановна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нальчик МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Процессы разрушения и релаксации в полиметилметакрилате при импульсных воздействиях»

Автореферат диссертации на тему "Процессы разрушения и релаксации в полиметилметакрилате при импульсных воздействиях"

005006763

Торшхоева Зейнап Султановна

ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ И РЕЛАКСАЦИИ В ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТЕ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

02.00.06 - высокомолекулярные воздействия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

1 2 ЯНВ 2012

НАЛЬЧИК-2011

005006763

Работа выполнена в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Кунижев Борис Иналович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Никитин Лев Николаевич

кандидат физико-математических наук, доцент Шетов Руслан Адибович

Ведущая организация:

Технологический институт Южного Федерального университета в г. Таганроге

Защита диссертации состоится 27 января 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.076.09 в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, г.Нальчик, ул. Чернышевского, 173, ауд. № 322

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова

Автореферат разослан*_декабря 2011 г.

Ученый сек диссертационн

Борукаев Т. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В настоящее время существует большое разнообразие полимерных материалов, которые широко используются в качестве конструкционных, тепло- и электроизоляционных материалов. Это связано с тем, что они обладают эластичностью, прочностью при ударе, специфическими электрическими свойствами, высокой стойкостью к воздействию различных активных сред.

При получении, переработке и исследовании полимерных материалов используются самые разнообразные методы и технологические приемы. Большинство методов основано на энергетических воздействиях. Такие методы позволяют определить теплофизические свойства, исследовать в полимерах переходные процессы при таких воздействиях, получать необходимые сведения для установления уравнений состояния и модифицировать полимерные материалы.

Существует обширная литература, посвященная общим вопросам взаимодействия лазерного излучения с металлами и керамическими материалами. При этом на данный момент недостаточно публикаций, посвященных специфике лазерного воздействия на полимерные материалы. Поэтому актуальной задачей данной работы является исследование лазерного воздействия на полимерные материалы. Известно, что лазерное воздействие и высокоскоростной удар вызывают не только изменение структуры, но и разрушение полимерных материалов с образованием кратеров. Причем, как показывают расчеты, разрушающее воздействие лазерного излучения превышает разрушающее действие высокоскоростного удара при одинаковых энергиях воздействия. Такие исследования имеют большое значение для создания условий, связанных с проектированием высокоэнергетических установок, работающих под воздействием интенсивных динамических нафузок.

Объектом исследования в данной работе является полиметилметакрилат (ПММА). Получение экспериментальных данных по динамической прочности ПММА актуально для решения многих задач в самых различных областях народного хозяйства.

Полиметилметакрилат является одним из самых технологичных полимерных материалов и, как конструкционный материал, широко используется и при проведении взрывных исследований, служит идеальным материалом для создания оболочек слоистых сферических мишеней, при решении перспективных задач управляемого ядерного синтеза, в различных установках, связанных с космическими аппаратами и установками.

Самостоятельный научный интерес представляет проблема исследования влияния лазерного воздействия на релаксационные свойства ПММА - материала, широко используемого в различных конструкциях, работающих в условиях лазерного воздействия. В связи с этим актуальной задачей физики высокомолекулярных соединений также является исследование релаксационных свойств полиметилметакрилата, облученного лазерным воздействием.

Целью работы является комплексное исследование влияния различных видов динамического воздействия на полимегилметакрилат, как хрупкого прозрачного материала, широко используемого на практике и подвергающегося в процессе эксплуатации различным силовым и тепловым нагрузкам.

Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- моделирование процессов разрушения хрупких мишеней при ударном высокоскоростном и лазерном воздействиях;

- исследование и построение зависимости осевого напряжения в мишени из полиметилметакрилата от времени и глубины проникания лазерного импульса;

- исследование возможных механизмов разрушения ПММА при лазерном воздействии;

- сопоставление результатов лазерного импульсного воздействия и высокоскоростного удара на мишень из ПММА;

- исследование влияния лазерного облучения на релаксационные процессы в ПММА в широком температурно-частотном интервале.

Научная новизна.

- моделирование процессов разрушения хрупких мишеней при ударном высокоскоростном и лазерном воздействиях;

- исследование возможных механизмов разрушения ПММА при лазерном воздействии;

- сопоставление результатов лазерного импульсного воздействия и высокоскоростного удара на мишень из ПММА;

Практическая значимость работы.

Результаты работы заложены в банк данных института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН г.Москва, института проблем химической физики ИПХФ РАН г.Черноголовка, КБГУ, ИНГТУ, ГУ «ВГИ», и в других научных центрах, занимающихся физикой и химией высоких плотностей энергии и используются для построения широкодиапазонных уравнений состояния полимерных материалов в экстремальных условиях.

Результаты, полученные в работе, используются в Высокогорном геофизическом институте и Государственном учреждении «СевероКавказская служба по активному воздействию на метереологические и другие геофизические процессы» для исследования процессов разрушения градовых образований, горных пород и льда, содержащих примеси, лазерным воздействием.

Материалы диссертации используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Физика полимеров» и «Уравнения состояния вещества» для студентов старших курсов физического факультета КБГУ и физико-математического факультета ИнгГУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Динамика разрушения хрупких материалов, полученная теоретическим рассмотрением и экспериментальными исследованиями.

2. Обнаруженные изменения характера кратерообразования и процесса разрушения ПММА при импульсном лазерном воздействии по сравнению с высокоскоростным ударом при одних и тех же значениях энергии воздействия. Отсутствие лицевого откола и появление тыльного откола в случае лазерного динамического разрушения мишени. Предложенные физические механизмы, объясняющие эти явления.

3. Исследованные зависимости осевого напряжения в мишени из полиметилметакрилата от времени и глубины проникания лазерного импульса;

4. Построенные температурные зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ПММА при различных частотах исходного образца ПММА, по истечении 30 часов после облучения и двух месяцев после лазерного облучения.

5. Предложенные механизмы, объясняющие возникновение необратимых изменений диэлектрических параметров е й tg 8 изученных образцов ПММА под влиянием динамических воздействий, создаваемых наносекундными лазерными импульсами.

Апробация полученных результатов.

1. На Малом полимерном конгрессе. Москва, 2005.

2. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2006.

3. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2007

4. На III Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2007.

5. На III Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах». Санкт-Петербург, 2007.

6. На IV Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2008.

7. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2008.

8. На V Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2009.

9. На 30-й Юбилейной международной коференции «Композиционные материалы в промышленности». Ялта, Крым, 2010.

10. На VI Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2010.

11. На Международной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2010.

12. На Международной конференция «Инновационные технологии в производстве». Грозный,2010.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы включает 129 страниц машинописного текста, включая 37 рисунков, 21 таблицу. Список литературы содержит 93 наименования.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе две статьи в рецензируемых журналах и изданиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, раскрываются научная новизна и практическая значимость исследований, определены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен литературный обзор работ, посвященных исследованию по исследованию поведения полимерных материалов при различных видах импульсного воздействия.

Показано, что процессы разрушения и кратерообразования в хрупких материалах характеризуются рядом существенных особенностей по сравнению с металлами. Большой интерес вызывает детальное рассмотрение процессов разрушения полимеров на примере полиметилметакрплата при высокоскоростном нагружении и лазерном облучении. Проведено сравнение с известными формулами для сверхглубокого проникания и получено выражение для предельной скорости, выше которой происходит полное разрушение ударника и образование кратера. Исследованы возможные механизмы разрушения ПММА при лазерном облучении и показано, что пространственное разрушение происходит по-разному, в зависимости от интенсивности лазерного воздействия. Проанализированы и исследованы релаксационные процессы в полимерах и показано, что практически все свойства полимеров определяются типом и степенью преобладания того или иного механизма теплового движения.

Во второй главе описаны современные методы импульсного воздействия на полимерные материалы. Для исследования молекулярной релаксации в полимерах использован метод диэлектрических потерь, который является наиболее чувствительным методом и позволяет измерить диэлевггрические потери в широком диапазоне температур и частот и установить закономерности релаксационных процессов. В качестве модельного полимера использован полиметилметакрилаг, который, обладая высокой прозрачностью, является самым прочным полимерным материалом по отношению к лазерному воздействию.

Третья глава посвящена исследованию процессов кратерообразования и разрушения полимерных материалов при высокоскоростном ударе и лазерном облучении.

При импульсном воздействии того или иного рода, общая схема развития гидродинамических процессов в каждом случае остается одинаковой: создание области сжатия материала мишени, генерация ударной волны, деструкция мишени волнами разгрузки от свободных поверхностей. Идентичность происходящих процессов при разных видах воздействий

позволяет моделировать эти воздействия различными методами. Например, в целях детального рассмотрения процесса разрушения мишени га полиметилметакрилата при высокоскоростном нагружении мы провели серию расчетов с помощью методов численного моделирования. Расчеты осуществлялись в двухмерной постановке в координатах Лагранжа по схеме «крест». Используемый алгоритм позволяет учитывать следующие физические процессы: упругопластическое течение материала, его прочность, разрушение под действием разрушающих напряжений, теплофизические процессы. В расчеты вводились следующие параметры: модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона/л предел текучести ат, разрушающее напряжение при растягивании Использованные значения этих параметров приведены в таблице 1. Ударник задавался в виде цилиндра диаметром 8мм и длиной 10мм.

Таблица 1. Прочностные и теплофизические характеристики материалов мишени и ударника.

км а0>— с ах Е, ГПа И сгг,ГПА 0>ГПа

ПММА 2,59 1,51 3,0 0,436 0,047 0,08

ПЭ 2,9 1,49 2,5 - 0,014 1,0

Окончание численного эксперимента определялось из следующих соображений:

- исследуемые явления к этому времени должны в основном завершиться и, в частности, должен закончиться процесс отделения центрального осколка, о чем свидетельствует выход изолиний удельного объема трещин на лицевую поверхность мишени;

- начинается сильное искажение расчетной области в силу возникновения больших деформаций, что приводит к очень сильному замедлению численного эксперимента, так что дальнейшее его продолжение становится нецелесообразным (второе условие достигается значительно позднее, чем первое).

В результате численного эксперимента были получены поля напряжений; графики зависимости скорости контактной поверхности от времени; поля разрушения, исходя из критерия ау>сг .

Из полученных результатов сделаны следующие выводы:

- Скорость контактной поверхности почти сразу устанавливается около 1км/с, затем падает до нуля через 5мкс, далее принимает отрицательные значения (таблица 2).

- Напряжение на контактной поверхности скачком достигает 3,41 ГПа и начинает падать, далее устанавливается напряжение 1,0ГПа, что соответствует, по видимому, режиму гидродинамического течения, и через 8мкс падает до нуля (таблица 2).

Волна сжатия очень слабо распространяется в радиальном направлении, что связано с интерференцией волн сжатия и разгрузки от свободной лицевой поверхности мишени. Поэтому поле сжатия имеет почти цилиндрическую форму (рис.1).

Таблица 2. Зависимость скорости контактной поверхности и напряжения от времени.

1, мкс 0,4 1 2 3 4 5 6 7 8

V, км/с 1 0,9 0,75 0,5 0,24 0 -0,12 -0,25 -0,32

сгг,ГПа 3,41 2,23 1,02 1,03 1,01 0,99 0,75 0,42 0

Скорость ударной волны, согласно полю напряжений сжатия равна (4,0±0,2)км/с, что согласуется с фотографиями скоростной фоторегистриру-ющей установки.

- Через 2мкс появляются растягивающие напряжения <7Х на глубине

8мм, достигая значения 0,05 ГПа. Эта зона растяжения движется вниз и

увеличивается в объеме, достигая значения 0,12 ГПа, что выше ар.

Формирование этой зоны связано с интерференцией волн разряжения от боковых поверхностей ударника вблизи оси симметрии системы (рис.2).

- Растягивающие напряжения <Уу появляются в мишени через 4 мкс и

расположены вблизи поверхности на расстоянии 10 мм от оси, достигая к моменту 6 мкс значения 0,13 ГПа (рис.3), что превышает предел прочности ПММА на растяжение. Зона концентрации напряжений остается практически на одном месте, что способствует образованию трещин.

- Разрушение мишени начинается в момент достижения одной из компонент тензора напряжений предела прочности ПММА на растяжение. Из расчетов следует, что материал начинает разрушаться в области концентрации

растягивающих осевых напряжений сг в момент времени, соответствующий

4мкс. При 1=бмкс проявляется действие растягивающих радиальных напряжений <ТХ, и контур центрального осколка замыкается (рис.4).

- Процесс разрушения завершается полным отделением центрального осколка, что соответствует выходу изолиний удельного объема несплошностей на лицевую поверхность мишени, и происходит не позже, чем через ЗОмкс после начала взаимодействия.

- Поле разрушения почти в точности соответствует профилю центрального осколка, но не описывает разрушения на периферии образца, что объясняется тем, что разрушение на периферии развивается по другому типу, не описываемому данным алгоритмом.

•.:> -i! J" -i!s1 -i.'j 'УЛ" 'fl ~ c!s ■ i.'fl'T.fc-1 тЬ- • ■ s's

Х.СЛ

Рис. 1. Поле сжимающих осевых напряжений <7у для1=6мкс.

ss:

■0

Х.см

Х,т

Рис. 2. Поле радиальных растяги -вшощих напряжений <ТХ для ^бмкс.

'-¿Ъ -lit' V.l ' <М'' '¿Г1 'itv ll'.i" '¿i~ "j 5

«. 01

Рис.3. Поле осевых растягивающих напряжений (Ту

для 6 МКС.

В целом теоретический расчет совпадает с экспериментальной картиной разрушения. Эту же методику мы использовали при моделировании

Рис. 4. Изолинии удельного объема несплошностей для 1=15 мкс.

высокоскоростного удара лазерным воздействием на мишень. Этот метод позволяет получить напряженное состояние в материале мишени, приводящее к ее разрушению. При этом можно определить положение и размеры зон разрушения, степень поврежденности материала, оценить размеры кратера.

Идея использования энергии лазерного импульса для моделирования высокоскоростного удара базируется на предположении, что действие лазерного импульса с энергией Е, длительностью Т и пятном облучения диаметром Б аналогично действию ударника того же диаметра Б толщиной Ь и скоростью v. Такой метод исследования высокоскоростного удара методом воздействия лазерного импульса позволяет получить картину напряженного состояния в материале мишени, положение и размеры зон разрушения, степень поврежденности материала, оценить глубину проникновения ударника в мишень и диаметр кратера в данных условиях воздействия. На основании данных, полученных из ранее проведенных исследований, были определены характерные значения параметров лазерного импульса по уравнению

тУ2

—— = а1т8, (1)

где тп - масса ударника, V - его скорость, а - коэффициент поглощения лазерного излучения, I- плотность мощности на облучаемой поверхности, т - длительность лазерного импульса, 5 - площадь пятна облучения.

Действие лазерного излучения моделировалось посредством задания на облучаемой поверхности импульса давления, действующего синхронно лазерному излучению. Параметры лазерного импульса были выбраны максимально приближенными к эксперименту по высокоскоростному удару снаряда из полиэтилена по мишени из полиметшшетакршгата.

Диаметр пятна облучения равнялся диаметру ударника 10мм. Длительности импульсов, используемые при расчетах - 80нс и 100нс. Коэффициент поглощения был принят равным 0,8. При таких значениях параметров интенсивность воздействия на облучаемой поверхности изменялась в диапазоне (3-1010-^Ю п)Вт/см2. Полученные значения абляционного давления на поверхности мишени изменялись в диапазоне 1-Н1 ГПа. Приведенные значения давления и были заданы в качестве граничных условий на облучаемой поверхности мишени.

В результате проведенных исследований были изучены эволюция напряженного состояния и деструкционных процессов в мишени, геометрические параметры зон разрушения и местоположение этих областей.

Нарушение сплошности мишени происходит главным образом в приповерхностных областях - лицевой и тыльной, причем максимальные

разрушения наблюдаются у тыльной поверхности мишени. Такая картина развития деструктивных процессов является характерной при данном способе импульсного воздействия.

Когда ударная волна еще не вышла на свободную поверхность, она имеет «классическую» для инициированных лазерным импульсом ударных волн структуру: собственно ударную волну с затянутым «хвостом» и волну разгрузки от лицевой поверхности мишени, ослабляющую ударную волну.

Волна разгрузки начинает формироваться в момент выхода ударной волны на свободную тыльную поверхность. Вследствие различия скоростей центральной части ударной волны и ее периферийных областей вначале выходит на свободную поверхность центральная часть ударной волны, в то время как периферийные ее зоны еще продолжают движение к поверхности. Для следующего момента времени характерны практически полное отражение ударной волны от тыльной поверхности и формирование зоны действия растягивающих напряжений, приводящих к разрушению мишени по откольному механизму. Поскольку в зоне нарушения сплошности материала мишени происходит релаксация напряжений на формирующихся трещинах, то для этого момента времени максимальные значения растягивающих напряжений располагаются уже не в центральной части мишени, а на периферии, где разрушение слабее. Только небольшие области у боковых поверхностей мишени остаются под воздействием не откольных, а сжимающих напряжений. Положение областей, где происходит разрушение, иллюстрируют рис.5. Очевидно, что максимум разрушений приходится на приосевые области, прилегающие к свободным поверхностям (лицевой и тыльной), хотя есть очаги вдоль оси практически по всей толщине мишени.

при 1=17 мкс. Толщина мишени Ь=22 мм, параметры лазерного импульса: / = 5 • Ю10 Вт/см2, г =100 не.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что для полиметилметакрилата существуют различия для разных видов воздействия. Основным отличием, качественно изменяющим картину воздействия лазерного импульса по сравнению с ударным нагружением, является отсутствие лицевого откола, что определяется отсутствием зоны растягивающих напряжений (осевых и радиальных) на некоторой глубине от лицевой поверхности. Присутствующие очаги разрушений в случае лазерного воздействия примыкают непосредственно к лицевой поверхности и расположены вдоль оси практически на всю глубину мишени.

Другим, не менее важным отличием полученных результатов по сравнению с ударным нагружения, является наличие тыльного откола, который отсутствовал в экспериментах по ударному воздействию. Это позволяет сделать вывод о том, что использование лазерных импульсов более эффективно для создания условий для откольного разрушения и проведения исследований в этой области.

В данной работе было показано, что безразмерная величина Ъ/Д кратеров, образуемых в мишенях при ударах макрочастицами со скоростями 2-10 км/с, приводится для разных материалов к единой зависимости от параметра х=ру\го/рм, км2/с2. Поэтому были построены зависимости Ъ/Д для наших расчетов от этой переменной х (рис. 6).

4 8 12 16 г Рис. 6. Зависимости безразмерной глубины проникания ударника из ПЭ (прямая 1) и фронта лазерного импульса (прямые 2 и 3) в мишень из ГТММА от параметра х.

Прямая 1 на рис.6 соответствует уравнению

—=0,86* (2)

и получена методом наименьших квадратов при обобщении экспериментов, проведенных для ударника из ПЭ и мишени из ПММА.

Используя уравнение (1), мы рассчитали зависимость — от энергии

лазерного импульса (табл. 17). По данным табл. 17 получены прямые 2 и 3, представленные на рис.31 для случая импульсного лазерного воздействия. Прямая 2 соответствует уравнению к

—=2,2* (3).

Прямая 3 описывается зависимостью к

—=0,45* (4).

Таблица 3. Зависимость — от энергии лазерного импульса.

£-103,Дж 0,50 1,27 2,49 3,97 7,38 11,23 13,12

к —(Удар.возд.) О 0,33 0,44 0,47 0,55 0,83 1,22 1,25

к —(Лазер.возд.) 0,62 0,88 1,16 1,25 1,57 1,60 1,72

Анализ зависимостей 2 и 3 показывает, что при импульсном лазерном воздействии скорость роста глубины проникания почти в 3 раза больше в начале воздействия по сравнению с высокоскоростным ударом, а затем более чем в 4 раза замедляется (прямая 3). Дальнейший анализ картины разрушения ПММА при импульсном лазерном воздействии показал, что каналы, образуемые лазерным импульсом, при их движении вглубь мишени схлопываются. Вблизи каналов образуются области интенсивного пластического течения с высокодисперсной структурой. Образование таких структур невозможно объяснить предложенной выше концепцией, постулирующей упругую деформацию и хрупкое разрушение мишени

опережающей трещиной. Расположение прямых 2 и 3 на рис. 6 и отношение коэффициентов при х в соотношениях (3) и (4) соответствует тому, что в самом начале (до 6 мкс) импульсного лазерного воздействия начинается и развивается хрупкое разрушение, которое переходит в пластическое разрушение материала мишени в областях, расположенных вдоль оси образца на всю глубину мишени в радиусе 1 см.

Такой механизм разрушения ПММА в случае импульсного лазерного воздействия объясняет отсутствие зон растягивающих осевых и радиальных напряжений уже на глубине 0,5 см от лицевой поверхности мишени, а также появление тыльного откола, который отсутствовал в экспериментах и расчетах по высокоскоростным ударным воздействиям.

Сопоставление лазерного импульсного воздействия и высокоскоростного удара позволяет сделать вывод, что лазерный импульс действует более разрушительно при равенстве их энергий воздействия на мишень. В этом случае область разрушений занимает больший объем и разрушения имеют более локальный характер. Так как лазерное воздействие дает иную картину напряженного состояния ПММА нежели ударное нагружение, в данной работе было решено провести исследование влияния лазерного воздействия на диэлектрические параметры ПММА.

В четвертой главе исследуются процессы диэлектрической релаксации образцов ПММА, подвергнутых лазерному облучению. Рассмотрено влияние лазерного облучения небольшой интенсивности на электрические характеристики полиметилметакрилата - диэлектрическую проницаемость е и тангенс угла диэлектрических потерь tg 8.

Образцы засвечивались лазерным излучением большим пятном одновременно по всей площади. Время работы с одним образцом составляло 3-^-5 секунд. Площадь объектов была до 8 см2. Величина интенсивности

лазерного излучения 1ШП варьировалась от 0,6 кВт/см2 до 6,6кВт/см2.

Как выяснилось, после облучения полимеров электрические параметры материалов претерпевают, как правило, определенные изменения. Оказалось, что эти изменения являются обратимыми, и, спустя какое - то время, происходит возврат характеристик к начальным (или почти к начальным) данным (рис. 7).

В своих экспериментах мы облучали образец ПММА сначала излучением с 1тп =5 кВт/см2, с малой частотой следования импульсов, потом излучением с 1ИШ =0,3кВт/см2, и / = 8,5кГц. Полученные результаты приведены на рис. 7. Для небольших частот следования импульсов оптически прозрачный ПММА наименее чувствителен к облучению.

С другой стороны, излучение значительно меньшей 1™", но большой частотой следования импульсов производит большие изменения электрических параметров. В этом могут играть роль следующие обстоятельства. Если т^ дипольно-групповых диэлектрических потерь в ПММА при наших температурах попадает в наносекундный диапазон времен, то Тред дипольно-сегментальных потерь будет на 4 порядка больше.

Таким образом, если последняя величина будет ~—, то импульсное

воздействие на диполи переходит в квазинепрерывное.

По нашим данным, при температуре 25±3°С у полиметилметакрилата трел=80± 10 часов - примерно постоянно для всех электрических параметров и условий лазерного облучения. Эти значения хорошо согласуются с Тр,.л электретного состояния ПММА, тогда как процессы терморелаксации ПММА к исходным данным при температуре 50 С протекают за время порядка 20 часов. Такие большие времена релаксации свидетельствуют о том, что под действием лазерного излучения в исследуемых образцах ПММА начинают проявляться электретные свойства.

Мы провели измерения электрических характеристик облученного образца (ПММА) и необлученных материалов из той же большой партии еще раз, спустя 11,5 -103 часов после облучения. Выяснилось, что все

электрические характеристики ПММА релаксируются до конца (или почти до конца), а затем идет естественное старение образцов так же, как и необлученного вещества.

Во втором разделе этой главы отмечено, что у и р пики на температурной зависимости tg 5 связаны с процессом дипольной поляризации локального типа. Известно, что время релаксации процессов дипольной поляризации локального типа определяется уравнением

где Т0 - период собственных колебаний, I/ - величина потенциального барьера, обусловленного взаимодействием диполя с его ближайшими соседями, к - постоянная Больцмана, Т - температура.

Время релаксации процессов дипольной поляризации кооперативного типа а в предположении, что потенциальные барьеры индивидуальных переходов Ц всех N членов кооперативной области равны, определяется уравнением

В этой формуле значение предэкспоненциального множителя В

отличается от периода собственных колебаний то=10"13с в 10-100 раз. В

литературе известны неоднократные попытки устранить эти противоречия учетом изменения энтропийного фактора, влиянием компенсационного эффекта и температурной зависимостью активационного потенциального барьера вследствие энгармонизма теплового движения атомов и молекул полимера. На наш взгляд, именно последний фактор представляется наиболее существенным, а его учет приведет к установлению взаимосвязи параметров диэлектрической релаксации со структурными характеристиками вещества при исследовании воздействия лазерного излучения в широком температурно-частотном интервале.

После обработки данных, представленных на рис.9 (кривая 1), для процессов дипольной поляризации локальных типов у и р для ПММА были

получены значения £/0, Д. и ас для этих двух пиков (табл.4)

Из таблицы видно, что для этих двух типов у и Р, рассчитанные значения

Рс, 170, г0 и ас, которые удовлетворительно согласуются с подобными

расчетами А.П.Стецовскоп>, проведенными для процесса локальной поляризации в полиметилметакрилате, мало различаются. Это подтверждает

(5)

наши предположения, и позволяет сделать вывод о том, что эти релаксационные переходы имеют одинаковую природу и являются дипольно-групповыми локальными процессами.

Таблица 4. Активационные параметры процесса релаксации у и у в ПММА.

А-Ю3к тт цЦж и0' МОЛЬ г0. А 1

у 0,87 42,3 2,05 3,81

р 0,94 44,8 2,13 5,16

В третьем разделе четвертой главы диссертации приводятся результаты исследования влияния лазерного излучения на диэлектрические параметры: е и ^ 6 полиметилметакрилата при частотах 50 и 80 Гц в интервале температур от 170 до 420 К.

Влияние импульсного лазерного излучения на высокомолекулярное вещество изучалось по изменениям электрических параметров облученных материалов. Изменения е, tg 8, в зависимости от частоты внешнего поля, дозы лазерного облучения, температуры и времени исследовались высокочувствительным физико-химическим методом - методом диэлектрических потерь.

Образцы освещались неполяризованным лазерным излучением с длиной волны —511 нм. Лазерные импульсы, следовавшие с частотой 8,0 кГц, имеющие длительность порядка 25 не облучали поверхность полимера 5с. Средняя мощность лазерного излучения достигала 4,0 Вт. Пятно облучения размером 2,5 см2 за счет сканирования засвечивало образец, площадь которого составляла до 8 см2. Максимальная интенсивность излучения в импульсе у поверхности ПММА изменялась от 3,0 до 9 кВт/см2.

Достигнутые в наших экспериментах мощности лазерного облучения способствовали, по нашему мнению, нагреванию оптически прозрачной среды ПММА до высоких температур, но при этом не достигалась температура размягчения полиметилметакрилата.

Хотя интенсивность лазерного излучения в импульсе достигало максимального значения до 9 кВт/см2, в наших экспериментах лазерное облучение не достигало порога разрушения, наблюдаемого визуально, так как исследованный нами материал прозрачный и длина волны 511 нм лежит в оптическом диапазоне. Но по ряду причин в веществе при таком воздействии, по нашему мнению, могут возникать скрытые изменения. Как оказалось,

вследствие лазерного облучения диэлектрические параметры исследованных образцов существенно меняются.

На рис. 8 представлены зависимости е для ПММА при частоте 50 Гц: исходного - кривая 1, по истечении 30 часов после облучения - кривая 2 и двух месяцев (1,5-103 часов) - кривая 3.

Как видно из этого рисунка, после облучения диэлектрическая проницаемость полиметилметакрилата в температурной области от 170 до 270 К возрастает в 1,2-1,5 раза, при дальнейшем увеличении температуры диэлектрическая проницаемость облученного ПММА линейно возрастает, достигая трехкратного увеличения по отношению к значению е исходного ПММА при данной температуре (кривая - 2).

Рис.8. Зависимость £' от Т для ПММА при частоте 50кГц. 1 - исходный, 2 - через 30 часов, 3 - через 1,5.103 часов после облучения. Гмп=5кВт/см2

Как показывают наши исследования, по истечении двух месяцев после лазерного облучения (кривая 3, рис.8) диэлектрическая проницаемость изученных образцов полиметилметакрилата под действием релаксационных процессов при низких температурах от 170 до 200 К уменьшается до значений е ~4 исходного необлученного ПММА. А в температурной области от 200 до 410 К диэлектрическая проницаемость имеет значение е ~5,0. что выше на 30% г исходного образца. По видимому, это значение соответствует новому равновесному состоянию ПММА, обработанного лазерным импульсом.

0,16

0,14-

0,12-

0,10-

0,08"

0,06"

0,04-

0,02-

170 200 230 260 290 320 350 380 410 440 Т, К Рис.9. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для ПММА при частоте 50кГц. 1 - исходный, 2 -через 30 часов, 3 -через 1,5-105 часов после облучения. Гмп=5кВт/см2

На рис. 9 представлены зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для ПММА при частоте 50 кГц (исходного - кривая 1, по истечении 30 часов после облучения - кривая 2 и двух месяцев (1,5-103 часов) - кривая 3), ■Гтш = 5 кВт/см1.

Как видно из графика, лазерное воздействие приводит к возрастанию диэлектрических потерь ПММА во всем температурном диапазоне (кривая 2, рис.9). Следует отметить, что релаксационные процессы у и р, связанные с локальными процессами дипольной поляризации исчезают, а а -релаксационный процесс, связанный с размораживанием сегментальной подвижности макромолекул проявляется в той же температурной области, что для исходного необлученного образца ПММА. По истечении 1500 часов после облучения, значения tg 5 немного уменьшаются по сравнению со значениями 5 образцов ПММА, измеренных по истечении 30 часов, и не релаксируют к значениям tg 8, соответствующим исходным образцам ПММА. Помимо этого, не проявляются у- и р- максимумы, а а-максимум смещается в область более низких температур на 15-20К.

Таким образом, наши исследования показали, что обработка образцов лазерным импульсом приводит к существенным изменениям

диэлектрических параметров ей tg 8 при частотах 50 и 80кГц в температурном диапазоне от 170 до 420 К.

Новое состояние исследованного высокомолекулярного вещества после лазерного облучения может быть обусловлено различными факторами.

Рассмотрим возможные причины возникновения необратимых изменений диэлектрических параметров изученных образцов под влиянием динамических воздействий, создаваемых наносекундными лазерными импульсами. Если в результате лазерного облучения возникают разрывы макромолекулярных цепей, возможен рост диэлектрических потерь tg 8 и диэлектрической проницаемости е. Если мощное лазерное воздействие приводит к появлению новых сшивок в макромолекулах ПММА, напротив, могут быть снижены значения ей tg 8. Появление разрывов макроцепей может быть обусловлено фотодиссоционными и термофлуктуационными механизмами; могут иметь деформационное происхождение, связанное с градиентами температуры в зоне действия лазерного электромагнитного импульса и возникновением механических напряжений в образцах ПММА вследствие неравномерности теплового расширения.

К приведенным выше значениям е и íg8 образцов полиметилметакрилата, подвергнутых лазерному облучению и соответствующих новому равновесному состоянию ПММА (снятых по истечении 1500 часов после облучения) и заметно отличающихся от подобных свойств исходного ПММА могут привести различные механизмы поглощения энергии лазерного излучения прозрачными твердыми телами. Среди них отметим собственные механизмы, связанные со свойствами самой полимерной матрицы (ударная и многофотонная ионизация), и механизмы, обусловленные поглощающими включениями (термоупругими, теплового взрыва, фотоионизационными).

Изменения физических свойств, возникающие в прозрачных полимерах под действием лазерного облучения, можно разделить на две группы. Первая группа - это изменения, возникающие в идеально чистых средах, вторая группа - изменения, обусловленные примесями. Обнаруженный нами экспериментальным путем невозврат значений е и tg 8 ПММА во всем исследованном температурно - частотном интервале к исходным значениям £ и tg 8, связан с несобственными механизмами поглощения лазерного излучения в использованной области наносекундного диапазона лазерного воздействия.

В местах расположения инородных примесей, микротрещин и микропор происходит интенсивное поглощение лазерного излучения, что приводит к перегреву полиметилметакрилата в этих местах. Микропоры и

микротрещины могут заполняться частично или полностью, в зависимости от энергии лазерного излучения, газами различного химического состава.

Выводы

1. Проведенный анализ результатов экспериментальных исследований по высокоскоростному взаимодействию ударников с мишенями из ПММА выявил особенности картины проникания ударников в мишень и позволил получить зависимости для расчета размеров кратера и его формы от энергии удара, отношения плотностей ударника и мишени, а также ее прочности. Получено выражение для предельной скорости, выше которой происходит полное разрушение ударника и образование кратера.

2. Моделирование разрушений полимерных материалов лазерным импульсом показывает, что для рассматриваемых материалов существуют различия для разных видов воздействий. Важным отличием воздействия лазерного импульса по сравнению с высокоскоростным ударом является отсутствие лицевого откола.

3. Показано, что присутствующие очаги разрушений в случае лазерного воздействия примыкают непосредственно к лицевой поверхности и расположены вдоль оси в радиусе одного сантиметра практически на всю глубину мишени.

4. Сопоставление лазерного импульсного воздействия и высокоскоростного удара позволяет сделать вывод, что лазерный импульс действует более разрушительно при равенстве их энергий воздействия на мишень. В этом случае область разрушений занимает больший объем и разрушения имеют более локальный характер.

5. Показано, что под действием лазерного облучения в полиметилметакрплате начинают проявляться электретные свойства.

6. Исследованы температурные зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ПММА при частотах 50 и 80 кГц и эти же зависимости по истечении 30 часов и двух месяцев после облучения. Установлено, что по истечении двух месяцев после лазерного облучения значения ^ 5 н не релаксируют к значениям tg 8, соответствующим исходным образцам ПММА.

7. Предложены физические механизмы, объясняющие возможные причины возникновения необратимых изменений диэлектрических параметров ПММА, под влиянием динамических воздействий, создаваемых наносекундными лазерными импульсами.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Торшхоева З.С., Экспериментальная установка по исследованию скорости ультразвука в полимерных пленках в широком интервале температур, подвергаемых воздействию электрического поля. [Текст] /A.C. Ахриев, З.С. Торшхоева, З.Х. Гайтукиева, М.Б. Борзов // Материалы научно-практической конференции. Назрань, 2002. Торшхоева З.С. Расчет давления, создаваемого в твердых телах, при ударных нагрузках. [Текст] / Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, З.С.Торшхоева, З.Х. Гайтукиева, А.Х. Цечоева // Материалы региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2006. - С. 103-107. Торшхоева З.С. Современные источники высоких динамических давлений. [Текст] / А.Х. Цечоева, A.C. Ахриев, З.С.Торшхоева, З.Х. Гайтукиева // Сборник научных трудов Ингушского Государственного университета. Вып.5. Магас,2007. - С. 195-200. Торшхоева З.С. Исследование влияния лазерного излучения на полиметилметакрилат. [Текст] / З.С. Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, З.Х. Гайтукиева // Материалы региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2007.- С.68-71.

Торшхоева З.С. Процесс кратерообразования в полиметилметакрилате при высокоскоростном взаимодействии. [Текст] / З.С. Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, Р.Х.Афаунова // Материалы III Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2007.-С. 123-125.

Торшхоева З.С. Фрактальный анализ откольных явлений в полиметилметакрилате (ПММА). [Текст] / З.С. Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, А.М. Куготова, А.Х.Цечоева // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2008. - С. 186190.

Торшхоева З.С. Исследование напряжения сжатия и формы кратера в ПММА при высокоскоростном ударе. [Текст] / A.M. Куготова, З.С. Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2008,- С.168-174.

8. Торшхоева З.С. Расчет параметров состояния твердых тел в экстремальных условиях. [Текст] / А.Х. Цечоева, A.C. Ахриев, З.С.Торшхоева, З.Х. Гайтукиева, А.М. Куготова // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2008. -С.314-320.

9. Торшхоева З.С. Разрушение мишени из оргстекла высокоскоростным ударом и лазерным импульсом. [Текст] / З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Ростов-на-Дону, 2008 - С.61-67.

10. Торшхоева З.С. Разрушение полиметилметакрилата при мощных импульсных воздействиях. [Текст] / А.К. Микитаев, З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, Р.Б. Тхакахов, А.М.Куготова // Поликонденсационные реакции и полимеры. Избранные труды. Нальчик, 2008. С.86-108.

11. Торшхоева З.С. Процессы импульсного воздействия на полимерные материалы. [Текст] / З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев // Журнал «Пластические массы». №11. Москва, 2008.

12. Торшхоева З.С. Фрактальный анализ процессов разрушения полимеров. [Текст] / З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, З.Х. Гайтукиева, А.Х. Цечоева, Б.М.Батыжев // Материалы региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2008.

13. Торшхоева З.С. Исследование ударно-волновых и деструктивных процессов при лазерном воздействии на мишень из полиметилметакрилата. [Текст] / З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев // Материалы V Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2009 - С.123-128.

14. Торшхоева З.С. Процессы разрушения, кратерообразования и диаграммы состояний полимерных материалов при ударно-волновом нагружении. [Текст] / Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, З.С.Торшхоева, А.М.Куготова, З.Х. Гайтукиева,//Учебное пособие. Назрань,2010.

15. Торшхоева З.С. Исследование процессов диэлектрической релаксации в полиметилметакрилате, облученного лазерным импульсом, в широком температурном интервале. [Текст]/ З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, А.М.Куготова // Материалы 30 Юбилейной международной научно-практической

конференции «Композиционные материалы в промышленности». Киев, 2010.

16. Торшхоева З.С. Исследование температурных зависимостей диэлектрических параметров полиметилметакрплата, облученного лазерным импульсом. [Текст]/ З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев. // Сборник научных трудов ИнгГУ. Магас,2010. С.456-460.

17. Торшхоева З.С., Поведение хрупких материалов при ударно-волновом нагружении. [Текст]/ З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, М.Б.Батыжев. // Научно-практическая конференция «Вузовское образование и наука». Магас,2010.

18. Торшхоева З.С., Влияние лазерного излучения на диэлектрические параметры полиметилметакрилата. [Текст]/ З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, М.Б.Батыжев, JI.M. Мартазанова, А.М. Куготова // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». Нальчик, 2010. С.398-402.

19. Торшхоева З.С. Исследование процессов диэлектрической релаксации в полиметилметакрилате при лазерном воздействии. [Текст]/ З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев. //Международная конференция «Инновационные технологии в производстве». Грозный,2010. Т.1. С.91-94.

20. Торшхоева З.С. Метод диалектических потерь. [Текст]/ З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, Л.М.Мартазанова, М.Б.Батыжев. // Сборник научных трудов ИнгГУ. Магас,2011.

21. Торшхоева З.С. Кратерообразование в хрупких средах. [Текст]/ З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев. // Научно-практическая конференция «Вузовское образование и наука». Магас,2011.

22. Торшхоева З.С. Сравнительный анализ процессов разрушения полиметилметакрилата высокоскоростным и импульсным лазерным воздействием. [Текст]/ З.С.Торшхоева, Б.И. Кунижев, A.C. Ахриев, Л.М.Мартазанова, М.Б.Батыжев, Куготова А.М. // Сборник научных трудов ИнгГУ. Магас,2011.

Сдано в набор 10.12.2011. Подписано в печать 13.12.2011. Формат 30x42/4. Бумага офисная - 80 г/м. Гарнитура «Times». Печать трафаретная. Физ. печ.л. 6 . Усл.печ. 1,56 л.. Тираж 100 экз. Заказ №2017

Отпечатано в типографии ООО «Пилигрим» 386102, Республика Ингушетия, г.Назрань, ул.Чеченская, 5. E-mail: piligrim-K@list

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата физико-математических наук, Торшхоева, Зейнап Султановна, Нальчик

61 12-1/454

КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Х.М БЕРБЕКОВА

На правах рукописи

Торшхоева Зейнап Султановна Процессы разрушения и релаксации в полиметилметакрилате при импульсных воздействиях

02.00.06 - высокомолекулярные соединения

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физ.-мат.наук, профессор Кунижев Борис Иналович

НАЛЬЧИК-2011

СОДЕРЖАНИЕ

__ __

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. ПОВЕДЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИХ ИМПУЛЬСНОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ...................... 11

1.1. Динамическое нагружение и разрушение высокомолекулярных соединений.................................................................... 11

1.2. Кратерообразование в хрупких средах.................................. 17

1.3. Разрушение полимеров под действием лазерного излучения...... 31

1.4. Исследование процессов диэлектрической релаксации в полимерах..................................................................... 46

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1............................................................................................................................51

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................53

2.1. Лазерная установка........................................................................................................................53

2.2. Метод диэлектрических потерь..........................................................................................54

2.3. Описание объектов исследования....................................................................................57

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2..............................................................................................................................62

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КРАТЕРООБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ И ИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ......................................... 63

3.1. Исследование импульсного лазерного воздействия на полимеры. 63

3.2. Моделирование ударноволновых и деструкционных процессов при импульсных воздействиях на мишень из полиметилметакрилата...................................................... 70

3.3. Сопоставление результатов кратерообразования и откольного разрушения при высокоскоростном ударе и лазерном воздействии.................................................................... 97

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3............................................................ 101

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РЕЛАКСАЦИИ В ПОЛИМЕРАХ, ПОДВЕРГНУТЫХ ЛАЗЕРНОМУ ОБЛУЧЕНИЮ....................................... 99

4.1. Влияние лазерного воздействия на диэлектрические свойства полиметилметакрилата...................................................... 99

4.2. Исследование процессов молекулярной подвижности и релаксации в полиметилметакрилате.................................... 103

4.3. Исследование процессов диэлектрической релаксации в полиметилметакрилате, облученном лазерным импульсом, при различных температурах и частотах................................ 110

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4............................................................... 118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................... 120

ЛИТЕРАТУРА........................................................................ 123

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы.

В настоящее время существует большое разнообразие полимерных материалов, которые широко используются в качестве конструкционных, тепло- и электроизоляционных материалов. Основными достоинствами полимеров являются высокая эластичность, низкая плотность, прочность при ударе, специфические электрические свойства, высокая стойкость к воздействию различных активных сред, возможность их получения с заданным комплексом механических и физических свойств.

высокоэнергетических установок, работающих под воздействием интенсивных динамических нагрузок.

Полиметилметакрилат является одним из самых технологичных полимерных материалов и как конструкционный материал широко используется в нанотехнологии и при проведении взрывных исследований. Полиметилметакрилат служит идеальным материалом для создания оболочек слоистых сферических мишеней, при решении перспективных задач управляемого ядерного синтеза, в различных конструкциях, связанных с космическими аппаратами и установками.

Самостоятельный научный интерес представляет проблема исследования релаксационных свойств ПММА - материала, широко используемого в различных конструкциях, работающих в условиях лазерного воздействия. В связи с этим актуальной задачей физики высокомолекулярных соединений является исследование релаксационных свойств полиметилметакрилата, облученного лазерным воздействием.

Цель работы.

Целью настоящей работы является изучение влияния различных видов динамического воздействия на полиметилметакрилат как хрупкого прозрачного материала, широко используемого на практике и подвергающегося в процессе эксплуатации различным силовым и тепловым нагрузкам.

Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- моделирование процессов разрушения хрупких мишеней при ударном высокоскоростном и лазерном воздействиях;

- исследование возможных механизмов разрушения ПММА при лазерном воздействии;

- сопоставление результатов лазерного импульсного воздействия и высокоскоростного удара на мишень из ПММА;

Научная новизна.

В работе впервые получены следующие результаты:

1. Исследованы и промоделированы процессы разрушения полиметилметакрилата при высокоскоростном ударе и импульсном лазерном воздействии.

2. Показано, что присутствующие очаги разрушений в случае лазерного воздействия примыкают непосредственно к поверхности мишени и расположены, вдоль оси в радиусе одного сантиметра на всю глубину мишени.

3. Впервые показано, что лазерный импульс, при одних и тех же значениях энергии воздействия, действует более разрушительно, нежели ударное нагружение, так как в этом случае область разрушений занимает больший объем и разрушения имеют более глубокий характер.

4. Предложены механизмы, объясняющие возможные причины возникновения необратимых изменений диэлектрических параметров изученных образцов ПММА под влиянием динамических воздействий, создаваемых наносекундными лазерными импульсами.

Практическая значимость работы.

Результаты работы заложены в банк данных института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН г.Москва, института проблем химической физики ИПХФ РАН г.Черноголовка, КБГУ, ИнгГУ, ГУ «ВГИ» и в других научных центрах, занимающихся физикой и химией высоких плотностей энергии, и используются для построения широкодиапазонных уравнений состояния полимерных материалов в экстремальных условиях.

Материалы диссертации используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам специализации «Физика полимеров» и «Уравнения состояния вещества» для студентов старших курсов физического факультета КБГУ и физико-математического факультета ИнгГУ.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие положения и выводы:

случае лазерного динамического разрушения мишени. Предложенные физические механизмы, объясняющие эти явления.

5. Предложенные механизмы, объясняющие возникновение необратимых изменений диэлектрических параметров е и 8 изученных образцов ПММА под влиянием динамических воздействий, создаваемых наносекундными лазерными импульсами.

Апробация полученных результатов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. На Малом полимерном конгрессе. Москва, 2005.

2. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2006.

3. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2007.

7. На региональной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2008.

9. На 30-й Юбилейной международной конференции «Композиционные материалы в промышленности». Ялта, Крым, 2010.

11. На Международной научно-практической конференции «Вузовское образование и наука». Магас, 2010.

12. На Международной конференции «Инновационные технологии в производстве». Грозный, 2010.

Личный вклад автора.

Диссертация представляет собой итог самостоятельной работы автора, обобщающий полученные лично, а также в соавторстве с научным руководителем, результаты.

Автору принадлежит постановка задачи и выбор объекта исследования; трактовка и обобщение полученных результатов; построение зависимостей полных осевых напряжений и плотности от времени и их распределение по глубине; исследование зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь полиметилметакрилата, облученного лазерным излучением, от времени; построение температурных зависимостей диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ПММА.

Соавторы статей принимали участие в обсуждении теоретических моделей и некоторых результатов экспериментальных исследований.

Публикации по теме диссертации.

По материалам диссертации опубликовано 22 работы, изданные в центральной и республиканской печати, в том числе две работы в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы включает 129 страниц машинописного текста, включая 37 рисунков, 21 таблицу. Список литературы содержит 93 наименования.

ГЛАВА 1. ПОВЕДЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

1.1. Динамическое нагружение и разрушение высокомолекулярных

соединений.

Полимеры обладают высокой эластичностью, прочностью при ударе, стойкостью к действию радиации и многих химических реагентов. Этим обусловлено использование полимеров в различных областях народного хозяйства в качестве конструкционных, тепло- и электроизоляционных материалов.

В процессе эксплуатации полимерные материалы подвергаются воздействиям различной интенсивности. В связи с развитием перспективных направлений науки и техники (управляемый термоядерный синтез, авиационно-космические технологии, лазерные и пучковые технологии) важной задачей физики является изучение процессов в полимерах с использованием высокоскоростного удара и лазерного излучения для импульсного воздействия на конденсированные среды.

Изучение механики разрушения началось более 100 лет назад. В 1882г. Герц в своей классической работе [1] рассмотрел случай упругого контакта шара с шаром и с полупространством под действием нормальной силы. В последующей своей работе [2] Герц указал на физическое значение твердости, анализируя упругий контакт твердых тел, и качественно описал возникновение конических трещин, зарождающихся в стекле вокруг контактной площадки при некоторой критической нагрузке. В 1891г. Ауэрбах [3] расширил эти эксперименты и установил связь между радиусом сферического индентора и критической нагрузкой, вызывающей возникновение конических трещин в стекле. В 1919г. Раман [4] изучал фигуры контактного разрушения и фотографировал их в отраженном свете. Далладай и Твиман [5] в 1921г. изучали поля напряжений в поляризованном свете при вдавливании алмазного наконечника в стекло. Они же указали на

существование пластического течения в этом обычно хрупком материале. В 1921-1926гг. Престон [6, 7] впервые использовал выдвинутые Гриффитсом идеи для качественного описания характера разрушения стекла. В 1930г. Эндрюс [8] продолжил и расширил эксперимент Рамана по ударному контактному разрушению стекла.

В 1930-1940гг. в Сибирском физико-техническом институте под руководством В.Д. Кузнецова были проведены широкие экспериментальные исследования по изучению контактного разрушения монокристаллов с учетом их анизотропии [9]. В 1975г. Лоун и Уилшоу опубликовали фундаментальный обзор по механике контактного разрушения [10], в котором был сделан тщательный анализ всех проведенных исследований и определены перспективные направления. С появлением этой публикации можно считать началось становление механики контактного разрушения как самостоятельного научного проявления.

Рассмотрим некоторые работы по исследованию разрушения полимерных материалов при их импульсном динамическом нагружении. Проведение экспериментов по высокоскоростному взаимодействию материалов на современных установках в сочетании с численным моделированием является одним из инструментов исследования механизмов и динамики разрушения полимерных материалов.

Авторы работы [11] исследовали процесс разрушения ПММА под действием динамических нагрузок. При воздействии полиэтиленового ударника со скоростями 2-6 км/с на мишень из оргстекла кратер образуется в результате хрупкого разрушения и лицевого откола. Произведено сравнение экспериментальных данных с результатами теоретического расчета.

В работах [11-12] показано, что хрупкое разрушение ПММА протекает при наличии следующих факторов:

1) круговых трещин на поверхности образца;

2) наклонных трещин внутри образца;

3) полости, параллельной лицевой поверхности образца.

Такая модель предполагает наличие микротрещин произвольной ориентации в исходном хрупком материале, возможность практического деформирования при напряжениях выше предела текучести, а также деградацию прочности и модулей упругости в результате растрескивания, как при растяжении, так и при сжатии.

Авторы работы [13] исследовали распространение трещины в полиметилметакрилате при ударных воздействиях, создаваемых импульсным магнитным полем. Вследствие прозрачности ПММА дается возможность видеть движение трещины. В данной работ