Структурно-механические аспекты деформации полимерных пленок, имеющих тонкое твердое покрытие тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Объекты и общие методы исследования.

2.2. Метод определения распределения размера фрагментов, образованных при разрушении покрытия на полимерной подложке.

Глава 3. Особенности поверхностных микроструктур, возникающих при деформировании ПЭТФ-пленок с тонким алюминиевым покрытием в широком температурном интервале.

Глава 4. Исследование рельефообразования при одноосном растяжении ПЭТФ -пленок, имеющих тонкое алюминиевое покрытие.

4.1. Механизм боковой контракции алюминиевого покрытия при одноосном растяжении ПЭТФ пленки-подложки.

4.2. Особенности рельефообразования алюминиевого покрытия и влияние природы покрытия на основные закономерности рельефообразования при одноосном растяжении полиэтилентерефталатной пленки-подложки.

4.3. Экспериментальная и теоретическая оценка амплитуды микрорельефа, возникающего при деформировании полиэтилентерефталатной пленки с тонким алюминиевым покрытием.

Глава 5. Исследование фрагментации покрытия при одноосном растяжении ПЭТФ пленок, имеющих тонкое алюминиевое покрытие.

5.1. Особенности фрагментации алюминиевого покрытия и влияние природы покрытия на основные закономерности фрагментации покрытия при одноосном растяжении полиэтилентерефталатной пленки-подложки.

5.2. Распределение фрагментов алюминиевого покрытия по размерам и два механизма его фрагментации при одноосном растяжении полиэтилентерефталатной подложки.

Глава 6. Прямое микроскопическое исследование пластической деформации

Известно, что благодаря обладанию уникальными свойствами полимеры находят широкое применение и огромное количество исследований [1-3]. Однако в природе и практическом применении чистые полимерные материалы практически не встречаются, в связи с чем бурно развивается наука о композиционных материалах [4-9].

Одной из разновидностей композиционных материалов являются полимерные пленки с различными покрытиями. Исследования структурно-механического поведения таких систем в последние годы интенсивно развиваются. Изучение свойств полимерных пленок с тонкими твердыми покрытиями имеет как прикладное, так и научное значение. Такие пленки чрезвычайно широко используются в практике, главным образом как упаковочные материалы для промышленных и продовольственных товаров, цветов, для нужд полиграфии и многих других отраслей народного хозяйства. В частности, полиэтилентерефталатные (ПЭТФ) пленки, имеющие покрытия из оксидов кремния, отлично зарекомендовали себя в качестве новых кислородоизолирующих материалов в пищевой и фармацевтической промышленности [12]. Важную роль полимерные пленки с тонкими электропроводящими покрытиями играют в производстве легких, гибких, небьющихся жидкокристаллических дисплеев [71]. По этим причинам пленки с тонкими твердыми покрытиями выпускаются в промышленном масштабе и объемы их производства непрерывно растут, исчисляясь в настоящее время сотнями тысяч тонн. Очевидно, что для практического использования указанных материалов важнейшее значение имеет понимание механизмов разрушения нанесенных слоев, их отслаивания от полимерной основы в процессе разного рода деформаций и термообработок. В свою очередь, указанные явления целиком обусловлены особенностями передачи механического напряжения через фазовую границу полимер - покрытие. Проблема передачи механического напряжения в двухфазных системах с участием полимерного компонента требует своего решения также при создании, в частности, волоконнонаполненных композитов [20]. Особенности передачи механического напряжения между фазами в таких системах протекают в тонких поверхностных слоях и определяют характер разрушения наполняющих волокон в структуре композита и покрытия при деформировании полимера-подложки. Эти процессы имеют много общего, в связи с чем подходы, развитые для анализа деформационно-прочностных свойств композитов были распространены на деформацию полимерных пленок, имеющих тонкое жесткое покрытие.

Пленки с твердыми покрытиями являются типичными представителями т.н. систем "твердое покрытие на податливом основании", имеющими ряд фундаментальных свойств общего характера. В частности деформация таких систем сопровождается, по крайней мере, двумя явлениями общего характера: возникновением регулярного микрорельефа и фрагментацией покрытия на множество фрагментов примерно одинакового размера [22-24,35-38,41-47]. Обнаруженные явления были продемонстрированы и подробно изучены на примере целого ряда полимерных пленок (ПЭТФ, ПВХ, каучук) с тонким платиновым покрытием, нанесенным на поверхность полимера ионно-плазменным методом. В то же время есть все основания полагать, что обнаруженные явления и закономерности имеют общий характер и не зависят от природы пары полимерная подложка -покрытие. В связи с этим представляется весьма важным исследовать структурно-механические свойства ПЭТФ пленок с тонким покрытием другой природы в условиях близких к тем, в которых исследованы особенности деформации пленок с платиновым покрытием. Алюминий и платина различаются по механическим свойствам [49-52]. В данной работе будем исследовать структурно-механические свойства ПЭТФ пленок с тонким алюминиевым покрытием.

Такое исследование не только позволит выявить общность обнаруженных ранее явлений, но также может иметь и прикладное значение, поскольку пленки с тонким алюминиевым покрытием широко используются в практике (главным образом как упаковочные материалы) [17,18]. Кроме того, алюминиевое покрытие, полученное методом осаждения из паровой фазы и обеспечивающее очень гладкую поверхность, имеет высочайшую оптическую отражательную способность [53].

В связи с этим целью данной работы стало структурно-механическое исследование свойств ПЭТФ пленок, на которые методом термического напыления было нанесено тонкое алюминиевое покрытие. С целью выявления наиболее общих закономерностей структурно-механического поведения систем полимер-покрытие предполагается сопоставление получаемых результатов с соответствующими данными, полученными для системы ПЭТФ - платиновое покрытие. Помимо того, в данной работе будет исследовано структурно-механическое поведение полимерных пленок с регулярными микроструктурами после удаления с их поверхности фрагментов металлического покрытия.

Выводы

1. Исследованы особенности поверхностных микроструктур, возникающих при растяжении ПЭТФ - пленок с тонким алюминиевым покрытием в широком температурном диапазоне. Показано, что при растяжении ПЭТФ - пленок с алюминиевым покрытием в области температур от 80 до 105 °С происходят на поверхности образца возникновение регулярного микрорельефа и регулярное разрушение покрытия.

2. Изучены закономерности рельефообразования при растяжении ПЭТФ - пленок с алюминиевым покрытием. Выведено соотношение периода микрорельефа и степени бокового сжатия полимерной подложки. Впервые обнаружены два типа формы профиля микрорельефа, возникающих при растяжении ПЭТФ -пленок с тонким алюминиевым покрытием.

3. Исследованы закономерности фрагментации алюминиевого покрытия при растяжении ПЭТФ - подложки. Впервые рассмотрено распределение фрагментов алюминиевого покрытия по размерам при растяжении ПЭТФ -подложки при различных скоростях и температурах. Установлено, что при малом напряжении в полимерной подложке разрушение покрытия происходит по механизму случайного дробления на дефектах, и при большом напряжении разрушение покрытия происходит по механизму дробления на две части.

4. Прямым микроскопическим методом исследовано влияние различных факторов на величину пластической деформации алюминиевого покрытия при растяжении ПЭТФ - подложки. Примененная методика позволяет оценить важнейшие механические характеристики твердых тел в чрезвычайно тонких слоях (нанометры), что очень сложно или в настоящее время даже невозможно осуществить другим методом.

5. Показано, что основные закономерности рельефообразования, фрагментации покрытия, зависимости величины его пластической деформации от условий нагружения имеют общий характер и не зависят от природы используемого покрытия. Природа покрытия определяет только численные значения параметров указанных процессов.

6. Изучено структурно-механическое поведение полимерных пленок, обладающих регулярными микроструктурами поверхности, после удаления с их поверхности фрагментов металлического покрытия. Показано, что при деформировании системы полимер-покрытие деформация полимера в поверхностном слое распределяется крайне неравномерно. В трещинах покрытия поверхностный слой полимера имеет наибольшую деформацию и, следовательно, наибольшую степень молекулярной ориентации. Как следствие, поверхностный слой ПЭТФ - подложки в трещинах покрытия закристаллизовался. Наличие закристаллизованного и аморфного слоев ПЭТФ в виде жесткого покрытия и податливой подложки приводит к появлению нового микрорельефа при повторной вытяжке.

1. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. M.-JL: Химия, 1967.

2. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа, 1979.

3. Аскадский А.А. Деформация полимеров. М.: Химия, 1967.

4. Алексеев А.Г., Корнев А.Е. Эластичные магнитные материалы. M.-JL: Химия, 1976.

5. Натансон Э.М., Брык М.Т. // Успехи химии. 1972. Т. 41. Вып. 8. С. 1465.

6. Современные композиционные материалы. Под ред. Браутмана JI. и Крока Р. М.: Мир, 1970.

7. Липатов Ю.С. Физико-химия наполненных полимеров. М.-Л.: Химия, 1977.

8. Баженов С.Л. Дисс. д-ра физ. мат. наук. М.: ИХФ РАН, 1995.

9. Туманова А.Т. Монокристаллические волокна и армированные ими материалы. М.: Мир, 1973.

10. Watari Т. Murano Н. // Proc. 35th Electronic Components Conf. IEEE. 1985. P. 193.

11. Bends D.J., Gendey R.W., Rasile J. // IBM J. Res. Develop. 1982. V. 26. P. 278.

12. Felts J.T. // J. Plast. Film. Sheet. 1993. V. 9. № 139. P. 201.

13. Levins J.V., Vanderlink Т.К. // J. Phys. Chem. 1995. V. 99. № 14. P. 5067.

14. Kim J.M, Marzouk H.A., Reucroft P.J. et al. // J. Appl. Phys. 1995. V. 78 № 1. P. 245.

15. Faupel F., Yang C.H., Chen S.T., Ho P.S. // J. Appl. Phys. 1989. V. 65 № 5. P. 1911.

16. Ho P.S. // J. Appl. Surf. Sci. 1989. V. 41/42. P. 559.

17. Leterrier Y., Boogh L., Anderson J., Manson J.-A. E. Adhesion of Silicon Oxide Layers on Poly(ethyleneterephthalate). 1: Effect of Substrate Properties on Coating's Fragmentation Process.// J. Polym. Sci. B. Phys. 1997. V. 35. № 9. P. 1449.

18. Leterrier Y., Boogh L., Anderson J., Manson J.-A. E. Adhesion of Silicon Oxide Layers on Poly(ethyleneterephthalate). 2: Effect of Coating Thickness on Adhesive and Cohesive Strengths.// J. Polym. Sci. B. Phys. 1997. V. 35. № 9. P. 1463.

19. Grosskreuts J.C., McNeil M.B. // J. Appl. Phys. 1969. V. 40. P. 355.

20. Pitkethly M.J., Favre J.P., Gaur U., Jakubowski J., Mudrich S.F., Caldwell D.L., Drzal L.T., Nardin M., Wagner H.D., Dilandro L., Hampe A., Armistead J.P., Desaeger M., Verpoest I. // Compos. Sei. Technol. 1993. V. 48. №. 2. P. 205.

21. Kelly A., Tyson W.R. //J. Mech. Phys. Sol. 1965. V. 13. №2. P. 329.

22. Волынский A.JI., Чернов И.В., Бакеев Н.Ф // Докл. РАН. 1997. Т. 355. № 4. С. 491.

23. Баженов СЛ., Чернов И.В., Волынский АЛ., Бакеев Н.Ф. // Докл. РАН. 1997. Т. 356. № 1.С. 54.

24. Баженов С.Л., Чернов И.В., Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. // Докл. РАН. 1997. Т. 356. №2. С. 199.

25. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 2. Физика сплошных сред. М.: Мир, 1966.

26. Biot М.А. // Quart. Appl. Math. 1959. V. 17. № 1231. P. 722.

27. Biot М.А. // J. Appl. Phys. 1954. V. 25. № 11. P. 2133.

28. Маневич Л.И., Павленко A.B., Коблик С.Г. Асимптотический метод в теории упругости ортотропного тела. Киев: Высшая школа, 1982.

29. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, Главная редакция физ. мат. литературы, 1965.

30. Александров В.М., Мхитарян С.М. Контактные задачи для тел с тонкими покрытиями и прослойками. М.: Наука, 1983.

31. Мясникова Н.В. Дисс.канд. хим. наук. М.: МГУ, 1983.

32. Ярышева Л.М., Чернов И.В., Кабальнова Л.Ю., Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф., Козлов П.В. // Высокомолек. соед. А. 1989. Т. 31. № 8. С. 1544.

33. Луковкин Г.М., Пазухина Л.Ю., Ярышева Л.М., Волынский А.Л., Козлов П.В., Бакеев Н.Ф. //Высокомолек. соед. А. 1984. Т. 26. № 10. С. 2192.

34. Volynskii A.L., Bakeev N.V. Solvent Crazing of Polymers. Amsterdam: Elsevier, 1995.

35. Волынский А.Л., Воронина E.E., Лебедева O.B., Баженов С.Л., Озерин А.Н., Бакеев Н.Ф. // Докл. РАН. 1998. Т. 360. № 3. С. 349.

36. Волынский А.Л., Воронина Е.Е., Лебедева О.В., Яминский И.В., Баженов С.Л., Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. № 10. С. 1627.

37. Лебедева О.В. Дисс.канд. хим. наук. М.: МГУ, 2000.

38. Баженов С.Л., Волынский A.JL, Лебедева О.В., Воронина Е.Е., Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 2001. Т. 43. № 5. С. 844.

39. Kelly A., Tyson W.R. // Fiber-strengthened Materials / Ed. By Zackay V.F. New York: Wiley, 1965.

40. Качанов Л.M. // Основы теории пластичности. M.: Наука, 1969.

41. Volynskii A.L., Bazhenov S.L., Lebedeva O.V., Bakeev N.F. // J. Mater. Sei. 2000.1. V.35.P. 547.

42. Волынский А.Л., Воронина E.E., Лебедева О.В., Яминский И.В., Баженов С.Л.,

43. Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 2000. Т. 42. № 2. С. 262.

44. Волынский А.Л., Воронина Е.Е., Лебедева О.В., Баженов С.Л., Озерин А.Н.,

45. Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. № 9. С. 1435.

46. Волынский А.Л., Воронина Е.Е., Лебедева О.В., Баженов С.Л., Озерин А.Н.,

47. Бакеев Н.Ф. // Докл. РАН. 1998. Т. 360. № 2. С. 205.

48. Волынский А.Л., Лебедева О.В., Баженов С.Л., Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. № 9. С. 1450.

49. Волынский А.Л., Лебедева О.В., Баженов С.Л., Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 2000. Т. 42. № 4. С. 658.

50. Воронина Е.Е., Баженов С.Л., Яминский И.В., Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. // Высокомол. соед. А. 2000. Т. 42. № 4. С. 649.

51. Волынский А.Л., Баженов С.Л., Бакеев Н.Ф. // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.М. Менделеева). 1998. Т. 42. №3. С. 57.

52. Физическая энциклопедия. Т. 1. М.: Советская энциклопедия. 1988. С. 65. Большая советская энциклопедия. Т. 1. М.: Советская энциклопедия. 1975. С. 496.

53. Физическая энциклопедия. Т. 3. М.: Советская энциклопедия. 1988. С. 635. Большая советская энциклопедия. Т. 20. М.: Советская энциклопедия. 1975. С. 11.

54. Алюминий: свойства и физическое металловедение. Под ред. Дж.Е. Хэтча, перев. с англ. М.: Металлургия. 1989, С.23.

55. Перцин А.И., Пашунин Ю.М. // Высокомолек. соед. Б. 1996. Т. 38. № 5. С. 919.

56. Орлов А.Н., Регель В.Р. // Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1965. Т. 4 С. 39.

57. Егоров A.M. // Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1965. Т. 4 . С. 42.

58. Volynskii A.L., Bazhenov S.L., Lebedeva O.V, Ozerin A.N., Bakeev N.F.// J.Appl.Polymer Science. 1999. V. 72. P. 1267.

59. Волынский А.Л, Баженов С.Л., Лебедева O.B., Озерин А.Н., Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 1997. Т. 39. № 11. С. 1827.

60. Biot М.А. // Mechanics of Incremental Deformation. New York: Wiley, 1965.

61. Лайнер А.И. // Краткая химическая энциклопедия М.: Советская энциклопедия, 1961. Т. 1.С. 147.

62. Леонова Т.Н. // Краткая химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1965. Т. 4. С. 73.

63. Brotzen F.R., Rosenmayer С.Т., Gale R.J. // Thin Solid Films. 1988. V. 166. P. 291.

64. Надаи A. // Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Мир, 1969. (Nadai А. // Theory of flow and fracture of solids. N-Y, Toronto, London, 1963. V. 2.).

65. Alten G., Zachmann H.G. // Makromol.Chem. 1979. B.180. №11. S. 2723.

66. Eisner G., Zachmann H.G., Milch J.R. // Makromol.Chem. 1981. B.182. №2. S. 657.

67. Волынский А.Л, Воронина E.E., Лебедева О.В., Баженов С.Л., Озерин А.Н., Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 1999. Т. 41. № 9. С. 1442.

68. Letterier Y., Manson J.-A.// Eur. Conf. on Macromolecular Physics, Morphology and Micromechanics . Merseburg, Germany , 1998. P.293.

69. Handge U.A., Sokolov I.M., Blumen A.// 11th Conf. On Deformation, Yield and Fracture of Polymers 10-13 April 2000 Camridge, UK. P.213.

70. Leterrier Y., Sutter P., Manson J.-A.E.// J. Adhesion 1998. V.48. P. 1276.

71. Bazhenov S.L., Volynskii A.L., Alexandrov V.M., Bakeev N.F.//J. of Polymer Sei. Part B: Polymer Physics, 2002. V.40, N.l, P.10-18.

72. Cairns D.R., Sparacin D.K., Paine D.C., Crawford G.P.// SID International symposium, Digest of technical papers. May 2000. San Jose, California, USA. P. 274 277.1. Благодарности

73. Автор выражает искреннюю признательность доктору физико-математических наук, профессору, С.Л. Баженову за проведенные им теоретические исследования.