Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие физики полимеров продолжается в течение нескольких последних десятилетий. За это время накоплен богатый материал о структуре и, свойствах большинства полимеров. Высокая сложность и неравновесность структуры этих материалов затрудняют понимание многих протекающих в них физических процессов, в особенности в условиях различного рода внешних воздействий. В частности, остается неясной природа влияния магнитных полей (МП) на различные механические характеристики полимеров и полимерных материалов.
Считается, что роль МП в большинстве случаев сводится к активации процессов переориентации сегментов макромолекул, обладающих анизотропией магнитной восприимчивости [1]. Однако, результаты влияния МП часто не удается объяснить с помощью этих представлений. Поэтому, есть основания полагать, что в магнитном поле реализуются и другие, неизвестные каналы изменения молекулярной и надмолекулярной структуры полимера.
В пользу существования нескольких каналов влияния МП на механические свойства твердых тел также говорят недавно обнаруженные маг-нитопластические эффекты. (МПЭ) в ионных, ионно-ковалентных и молекулярных кристаллах [2, 3]. Исследование МПЭ в широком спектре материалов: в диэлектриках, полупроводниках и металлах показывает, что МП может влиять на неравновесные спин-зависимые химические реакции между структурными дефектами в твердых телах, что ведет к существенному изменению пластических свойств даже в слабых магнитных полях с энергией воздействия на носитель спина Um ~ ЦвВ, гораздо меньшей энергии термических флуктуации UT~ kT (|ів - магнетон Бора, В - индукция МП, к - постоянная Больцмана, Т - температура). Кроме того, результаты исследований [4-6] показывают, что действие переменных и импульсных МП на пластичность проявляется иначе, чем влияние постоянного МП.
Раздельное исследование различных каналов действия МП затруд
нено одновременным возникновением упомянутых эффектов переориента
ции магнитно-анизотропных сегментов макромолекул. Однако, поскольку
переориентация в МП ~ 0,4 Тл при комнатной температуре происходит в
течение довольно длительного промежутка времени ~ 30 дней [7, 8], то
использование коротких импульсов МП с длительностью, недостаточной
для возникновения переориентации, может способствовать отделению и
изучению других чувствительных к действию МП процессов, которые спо
собны повлиять на пластичность. '
Изучение полимеров актуально и в связи со сходством их строения с биологическими объектами, которые также обладают чувствительностью не только к сильным, но и к слабым полям [9, 10]. Ввиду большей изученности и относительной простоты структуры полимеров они могут
рассматриваться как модельные объекты по отношению к более сложныи биологическим. Таким образом, исследование МПЭ может помочь в пони мании механизмов полевых эффектов и в биологических системах, способ ствовать разработке новых медицинских средств, осознанию физически: принципов, которыми обусловлены гигиенические нормы работы с элек тромагнитными полями. Понимание природы влияния электрических і магнитных полей на макросвойства полимеров может также привести і разработке новых технологий обработки, контроля и управления пластич ностью этих многофункциональных и современных материалов.
Цель настоящей работы заключалась в экспериментальнок исследовании закономерностей влияния импульсных магнитных і электрических полей на пластичность полимеров и выявлении обьектої действия МП.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследования:
-
выявить особенности МПЭ в линейных аморфных полимерах і импульсных МП, которые имеют достаточно короткую длительності (« 1 мс) импульса, позволяющую исключить ориентационные сегментальные движения в структуре полимера и, тем самым, создать экспериментальные условия для изучения магнитных эффектов неориентационноіі природы;
-
установить природу источников энергии, обеспечивающей изменение пластических свойств линейных аморфных полимеров при воздействии МП, путем выявления степени обратимости возникающих изменений;
-
установить роль фронтов магнитного поля и вихревого электрического поля в исследуемом магнитопластическом эффекте;
-
создать экспериментальные условия для исследования МПЭ в условиях действия различных внешних факторов немагнитной природы (термической и механической обработки);
-
по возможности выявить объекты в полимерах, на которые действует импульсное МП, вызывая изменение пластических свойств.
Научная новизна работы заключается в обнаружении и исследовании новых физических эффектов, индуцированных импульсными МП до 30 Тл на пластические свойства линейных аморфных полимеров - полиме-тилметакрилата (ПММА) и полистирола (ПС). Установлено, что экспозиция образцов ПММА и ПС в МП вызывает длительные (несколько часов при Т = 293 К) остаточные изменения микротвердости. После восстановления микротвердости ее можно многократно понижать экспозицией в том же МП, т. е. влияние МП носит обратимый характер, что свидетельствует о сообщении полем энергии, достаточной для возбуждения структуры полимера.
Показано (на примере ПММА), что важную роль в МПЭ в импульсном МП играет как собственно магнитное, так и вихревое электрическое поле. То есть обнаруженный эффект по сути является электро-магнитопластическим эффектом. Выявлены объекты действия импульсного МП в структуре полимеров - подвижные боковые группы (в ПММА -метилькые группы СНз, в ПС - фенильные группы C6Hs).
Обнаружены возможности управления МПЭ с помощью термообработки и механического деформирования. Установлены хсловия и режимы термической и механической обработки, приводящей к усилению или к частичному подавлению МПЭ.
Научная ценность и практическая значимость работы.
Полученные данные и установленные закономерности представляют собой новый тип МПЭ в полимерах, не сводящийся к известным. Предложен новый подход к изучению релаксационных переходов в полимерных материалах, который позволяет выявлять их с помощью исследования чувствительности полимера к МП при разных температурах. Обнарз'жена возможность управления пластическими свойствами аморфных полимеров в импульсном МП. что может составить физическую основу новых технологий их обработки. Выявленные закономерности изменения пластичности полимеров в импульсном МП позволяют прогнозировать поведение материалов на их основе в условиях действия импульсных и переменных полей (в импульсных генераторах, термоядерных энергетических установках и т. д.). Результаты работы могут быть также использованы при обсуждении механизмов чувствительности биологических объектов к электромагнитным полям.
Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах:
XXXIV Международный семинар «Актуальные проблемы прочности» (Тамбов, 1998); XXXV Международный семинар «Актуальные проблемы прочности» (Псков, 1999); EURO Material Research Society Conference. Spring Meeting (Strasbourg, France, 2000).
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
-
Обнаружен эффект разупрочнения линейных аморфных полимеров в импульсном МП с длительностью импульса tp~ 10" с и индукцией В до 30 Тл, заключающийся в изменении микротвердости и кинетики восстановления отпечатка при индентировании ПММА и ПС.
-
Как в ПММА, так и в ПС можно многократно понижать микротвердость полимеров после ее восстановления, т. е. влияние импульсного МП носит обратимый характер. Ускорить восстановление микротвердости и чувствительности полимеров к действию МП можно повышением температуры выдержки полимера после экспозиции в МП.
-
Выявлены факторы, усиливающие и ослабляющие МПЭ в полимерах: изотермический отжиг образцов частично подавляет магнитопла-стический эффект; с помощью механической деформации, например, одноосного растяжения, можно увеличить чувствительность пластических свойств полимеров к импульсу магнитного поля.
-
Существенную роль в формировании МПЭ в линейных аморфных полимерах играет активация различных процессов молекулярной подвижности (релаксационных переходов). В частности, «размораживание»
термоактивированного вращения боковых гр\пп (-/-переходов) ведет к появлению и дальнейшему рост\ (с ростом температуры) чувствительности пластических свойств полимера к имп\льсу МП.
5. Выявлены объекты стр\кт\ры полимеров - подвижные боковые грхппы (в ПММА - мстильные гр\ппы СН5. в ПГ - фенильные гр\ппы С,,НО- на которые действчет имтльснос МП. стимулируя изменение пластичности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения. пяти глав и списка цитированной литсрат>ры, содержащего 121 наименование. Полный объем составляет 124 страницы машинописного текста, в том числе 22 иллюстрации и 3 таблицы.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертационной работе. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит проведение экспериментов, обработка полученных данных, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.
Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты № 97-02-16074 и № 00-02-16094) и программы «Университеты России - Фундаментальные исследования» (грант № 381).
