Введение к работе
Актуальность темы
Одной из задач физики конденсированного состояния является изучение отклика системы на внешние воздействия, такие как электрические и магнитные поля, тепловые потоки. Известно, что воздействие неоднородного нагрева может являться источником электрических полей различной природы. В металлах и полупроводниках неоднородный нагрев приводит к возникновению термоэдс. В последние годы пристальное внимание вызывают эффекты, возникающие вследствие неоднородного распределения температуры в диэлектриках. Теоретически предсказан и экспериментально обнаружен термополяризационный эффект, в том числе термостимулированная деполяризация, осуществляемая при нагреве неоднородно поляризованного диэлектрика. Особенности возникновения электрических полей при неоднородном изменении температуры изучались, в частности, в сегнетоэлектрических монокристаллах [1] и высокомолекулярных орга-носилоксанах [2]. Исследований природы возникновения электрических полей в неоднородном температурном поле в высокомолекулярных биокомпозиционных материалах, примером которых является древесина, до выполнения настоящих работ не проводилось.
Древесина представляет собой сложную систему с клеточным строением, основными компонентами клеточных стенок которой являются высокомолекулярные вещества: частично кристаллическая целлюлоза и аморфный лигнин. Деформационные свойства аморфно-кристаллических полимеров сильно зависят от степени кристалличности. Следовательно, для того, чтобы судить о механическом качестве древесины, необходимо предварительно определить степень кристалличности основной ее составляющей - целлюлозы. Ограниченность существующих методов оценки степени кристалличности полимеров связана с невозможностью иметь в качестве эталона чисто кристаллический образец: в силу особенностей природы полимеров степень кристалличности, равная единице, не может быть достигнута даже в случае наиболее совершенных монокристаллов. Поэтому актуальной становится разработка новых методов определения степени кристалличности полимеров. Наконец, в настоящий момент практически не существует физических методов неразрушающего контроля жизненного состояния древесных растений, что указывает на дополнительную актуальность проводимых исследований в частности в лесоводстве.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является комплексное исследование процессов поляризации, обусловленных наличием неоднородных температурных полей в высокомолекулярных биокомпозитах на примере древесины.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
Установление условий формирования и разработка модели возникновения электрических полей термического происхождения в высокомолекулярном биокомпозите - древесине.
Исследование распределения неоднородного электрического поля термического происхождения и расчет напряженности электрического ПОЛЯ в тонком слое древесины и в стволах древесных растений.
Создание новых подходов к определению степени кристалличности кристаллизующихся ингредиентов древесины.
Объекты исследования
В качестве объектов исследований были выбраны поперечные микротомные срезы древесины березы толщиной (100...200) мкм и площадью (140...160) мм и особи березы повислой (Betula pendula Roth.) - породы, образующей производные лесные экосистемы в Центральной лесостепи Российской Федерации.
Научная новизна работы заключается в следующих, впервые полученных результатах:
Обнаружено и экспериментально исследовано явление возникновения электрических полей термического происхождения в высокомолекулярном биокомпозиционном материале - древесине, обусловленное наличием градиентов температуры.
Разработана модель возникновения электрических полей термического происхождения в сложной композиционной системе: «кристаллическая целлюлоза - аморфный лигнин».
Сделана оценка величины напряженности электрического поля в тонком слое срезанной древесины, получено распределение неоднородного электрического поля термического происхождения в стволах растущих деревьев в направлении, перпендикулярном волокнам, произведено их сравнение с экспериментальными данными.
Выявлена связь времени релаксации сегментальной подвижности макромолекул целлюлозы со степенью ее кристалличности в неоднородном температурном поле.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты можно применять для оценки степени кристалличности волокон целлюлозы в образцах, изготовленных из различных пород древесины. Это создает научные основы метода неразрушающего контроля качества древесины, которое зависит от прочности волокон целлюлозы, возрастающей с увеличением степени ее кристалличности. Предлагаемый подход можно использовать для оценки степени кристалличности других волокнообразующих полимеров. Измерение разности потенциалов в стволах древесных растений перпендикулярно волокнам можно применять как метод диагностики жизненного состояния.
Основные положения, выносимые на защиту:
Неоднородное температурное поле вызывает появление электрического поля в сложном биокомпозите - древесине за счет пироэлектрического эффекта в кристаллитах целлюлозы и пьезоэлектрического эффекта, обусловленного избыточным давлением на кристаллическую целлюлозу со стороны лигнина, испытывающего тепловое расширение.
Величина разности потенциалов, возникающей в образцах древесины в неоднородном температурном поле, прямо пропорциональна скорости изменения температуры. При равномерном изменении температуры среды в образцах возникает постоянная во времени разность потенциалов. При равноускоренном изменении температуры, чем быстрее увеличивается скорость изменения температуры, тем выше полученная разность потенциалов.
З.При увеличении температуры происходит «размораживание» сегментальной подвижности макромолекул целлюлозы, которое приводит к флуктуациям степени ее кристалличности.
Неоднородное распределение тепловых полей в направлении, перпендикулярном волокнам, возникающее при изменении температуры окружающей среды, служит причиной возникновения электрических полей в стволах древесных растений за счет поляризации кристаллитов целлюлозы древесных волокон.
Величина изменения разности потенциалов в радиальном направлении древесного ствола зависит от температуры окружающей среды и процентного соотношения целлюлозы и лигнина, связанного с жизненным состоянием деревьев.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на нижеперечисленных конференциях и семинарах: Х-ой Международной конференции «Физика диэлектриков» (Санкт-Петербург, 2004), Международной научно-практической конференции «Наука и образование на службе лесного комплекса» (Воронеж, 2005), Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, 2005), IV-ой Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2006), Международных научно-технических конференциях «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Intermatic - 2005 - 2011) (Москва, 2005 - 2011), 4-ой и 5-ой Международных научно-технических конференциях «Электрическая изоляция - 2006 и 2010» (Санкт-Петербург, 2006 и 2010), 6-ом Международном семинаре по физике сег-нетоэластиков (Воронеж, 2009), Международном научно-техническом семинаре к 100-летию А. В. Лыкова «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010), 22-ой Международной научной конфе-
ренции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 2010), Четвёртой Международной научно - практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (Сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (Москва, 2011).
Публикации и личный вклад автора
Работа выполнялась на кафедре общей и прикладной физики Воронежской государственной лесотехнической академии в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором обоснован выбор методов и объекта исследования, получены все основные экспериментальные результаты, проведены математическая обработка, анализ и интерпретация полученных данных. Обсуждение результатов проводилось совместно с научным руководителем доктором физ.-мат. наук, профессором Матвеевым Н. Н.
По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 14 публикаций - в прочих журналах, материалах конференций и семинаров.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 102 наименования. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 8 таблиц.