Свойства фрактальных структур, образующихся при газоразрядной полимеризации Молчатский, Сергей Львович

Введение к работе

Актуальность темы.

Новый подход к изучению неравновесных систем, сформировавшийся в последние годы, основан на концепции фрактала, выдвинутой Мандельбро-том. Фрактал - это физический объект с необычными геометрическими свойствами. Его размерность выражается нецелым числом. Исследования показывают, что фрактальньш кластер является основным структурообразующим элементом целого ряда макроскопических систем, возникающих в результате протекания неравновесных физико-химических процессов, таких как диффузия, агрегация, конденсация, химические реакции и т.п. Поэтому концепция фрактального кластера оказалась исключительно плодотворной при решении широкого круга задач физико-химической кинетики.

Большая часть работ по физике фракталов посвящена компьютерному моделированию процессов роста фрактальных кластеров в тех или иных условиях и выявлению на этой основе свойств макроскопических систем, для которых эти кластеры являются структурообразующими элементами. По этой теме имеется обширная литература. К сожалению, эти теоретические работы имеют слабую экспериментальную поддержку.

Причина такой ситуации состоит в том, что реальные фрактальные системы являются существенно неупорядоченными системами, поэтому их исследование связано с рассмотрением чрезвычайно больших статистических наборов. Эта работа оказывается очень сложной и трудоемкой и до недавнего времени практически невыполнимой. И только в последние годы, после появления нового поколения ЭВМ, задача исследования фрактальных структур в реальных макроскопических системах стала возможной.

Однако, многие задачи фрактального анализа реальных физических систем, представляющие значительный теоретический и практический интерес, остаются до сих пор нерешенными. К их числу, несомненно, относится задача исследования микроскопической структуры тонких полимерных пленок, образующихся в результате процессов газоразрядной полимеризации в закры-

тых реакторах с тлеющим разрядом.

Газоразрядная полимеризация как процесс, протекающий в условиях далеких от термодинамического равновесия, должна вести к эффективному образованию фрактальных структур. Полимерные пленки - продукты газоразрядной полимеризации - являются объектами, исследованию свойств которых посвящено большое количество работ. Однако, до сих пор фрактальный анализ микроструктуры этих объектов не проводился.

Цель работы. В настоящей работе поставлены следующие цели.

1. Разработать методику компьютерного исследования свойств фрактальных структур тонких полимерных пленок и подобрать адекватный аналитический аппарат для анализа результатов наблюдений.

2. Исследовать свойства фрактальных структур полимерных пленок, образующихся на катоде реактора с тлеющим разрядом при различных режимах разряда, и произвести на основе полученных данных классификацию этих структур.

3. Установить зависимость фрактальных характеристик пленок от внешних параметров разряда.

4. Исследовать связи между фрактальными характеристиками и макроскопическими свойствами полимерных пленок. На этой основе интерпретировать механизм образования полимерных пленок на катоде.

Научная новизна. В данной работе предложена методика компьютерного исследования свойств фрактальных структур тонких полимерных пленок, основанная на анализе изображений этих структур, предварительно полученных с помощью электронного микроскопа.

В рамках этой методики исследованы свойства фрактальных структур, образующихся в тлеющем разряде при различных режимах разряда - при раз-'личных значениях плотности тока разряда и давления мошумера.

Обследования образцов полимерных пленок из стирола и октаметилтри-силоксана (ОМТС) привели к следующим результатам. 1) Установлена особенность строения этих полимеров на надмолекулярном уровне. 2) Определе-

ны значения фрактальной размерности кластеров, образующихся при различных режимах разряда как для пленок стирола, так и для пленок ОМТС. 3) Найдены формы зависимости фрактальной размерности кластера от плотности тока разряда при различных давлениях мономера и дана интерпретация полученных результатов. 4) Представлены аргументы, основанные на анализе найденных фрактальных характеристик, в пользу ударного механизма формирования структуры катодной полимерной пленки. 5) Обнаружены связи фрактальной размерности кластера с макроскопическими характеристиками полимерной пленки - внутренними механическими напряжениями и массовой плотностью. Методами математической статистики найдены корреляционные коэффициенты этих связей. Предложена модель, объясняющая на качественном уровне происхождение этих связей.

Все эти результаты являются принципиально новыми, поскольку эта работа является первой работой, в которой изучаются фрактальные структуры, образующиеся при газоразрядной полимеризации.

На защиту выносятся методика компьютерного исследования фрактальных структур в тонких полимерных пленках и результаты исследования пленок стирола и ОМТС в рамках этой методики. На основе результатов данного исследования сфорхгулированы следующие положения.

1. Основным структурообразующим элементом полимерных пленок -продуктов газоразрядной полимеризации - на надмолекулярном уровне являются кластеры с ярко выраженной монофрактальной структурой.

2. Наблюдается сильная зависимость фрактальной размерности кластера от плотности тока разряда, при которой он образовался. Кривые, выражающие эту зависимость для пленок стирола при различных давлениях, имеют одинаковый колоколообразный вид с минимумами, лежащими вблизи одной и той же точки j= 5,8 А/м². Последнее, по-видимому, свидетельствует о слабой зависимости фрактальной размерности от давления паров мономера в газоразрядной камере.

Зависимость фрактальной размерности кластеров ОМТС от той же вели-

4 чины описывается монотонно возрастающей функцией, а следовательно, формы этих зависимостей для пленок ОМТС и стирола существенно различны.

3. Имеют место корреляции между формами зависимости от плотности тока разряда фрактальной размерности, с одной стороны, и механических характеристик пленок - внутренних механических напряжений и массовой плотности, с другой, хотя вид этих корреляций различен для пленок стирола и ОМТС, что, в частности, отражается в различии знаков соответствующих коэффициентов корреляции.

4. Основным инициирующим механизмом формирования структур полимерной пленки в тлеющем разряде является прямая ионная бомбардировка катода.

Теоретическое и практическое значение работы. Выполненный в этой работе фрактальный анализ свойств полимерных пленок, возникающих при газоразрядной полимеризации, может представлять интерес, по крайней мере, с двух точек зрения. Во-первых, это интересно с точки зрения изучения механизмов синтеза объектов с заданными свойствами. Такие процессы, как правило, протекают в условиях, далеких от термодинамического равновесия, и фрактальный анализ оказывается в этих случаях новым полезным инструментом для их изучения. Во-вторых, эти исследования могут иметь прикладное значение, способствуя разработке новых технологий получения материалов с заданными свойствами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на семинарах кафедры общей и лазерной физики Самарского государственного технического университета, на кафедре физики Самарской государственной архитектурно-строительной академии и в Самарском филиале Физического института им. Лебедева РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения и заключения. Работа изложена на 105 страницах, иллюстрирована 36 рисунками и 6 таблицами. Список литературы включает 155 наименований.

Первые две главы работы представляют собой литературный обзор.

В главе 1 излагаются способы получения полимерных пленок в реакторе с тлеющим разрядом, а также обсуждаются методы исследования их макроскопических свойств. Глава 2 посвящена формулировке основных понятий фрактальной геометрии и обзору современных работ по физике фрактальных кластеров. Главы 3 и 4 содержат ориганальные результаты. В главе 3 описана методика компьютерного анализа фрактальных структур полимерных пленок, а глава 4 посвящена изложению результатов экспериментального исследования фрактальных структур в тонких полимерных пленках, их интерпретации и формулировке моделей формирования этих структур при газоразрядной полимеризации.