Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы происходит бурное развитие научных направлений, связанных с изучением свойств веществ, находящихся в наносостояшш. Многочисленные достижения в этой области свидетельствуют о том, что переход от микро- к наноразмерам приводит к появлению качественных изменений в физических, механических и физико-химических свойствах материалов. Однако, несмотря на исключительную важность сведений о свойствах вещества в наносостояшш, проблема их оценки пока далека от своего решения. В частности, надежные сведения о деформационно-прочностных свойствах твердого тела, имеющего размеры единицы-десятки нанометров, практически отсутствуют, что объясняется в первую очередь экспериментальными трудностями изучения свойств твердых тел столь малого размера. Это обусловливает необходимость разработки новых подходов для количественной оценки свойств наноматериалов с заданными или контролируемыми параметрами.
Для практического решения этой задачи в данной работе предложен новый подход, основанный на анализе особенностей поверхностного структурообразования, имеющего место при деформировании полимерных пленок с покрытиями нанометровой толщины.
Цель работы. Основная цель работы заключалась в разработке нового структурно-механического метода оценки деформационно-прочностных свойств материалов в слоях нанометрового диапазона на полимерной подложке.
В соответствии с поставленной целью работы были сформулированы следующие задачи:
исследовать структуру нанометровых покрытий различной природы, нанесенных различными методами, на полимеры до и после деформирования подложки;
на основании полученных экспериментальных данных оценить количественные характеристики образующейся поверхностной структуры и микрорельефа;
определить деформационно-прочностные свойства покрытий в слоях нанометрового диапазона, используя взаимосвязь искомых характеристик со значениями параметров поверхностной структуры.
Научная новизна работы. Разработан метод определения деформационно-прочностных характеристик покрытий в слоях нанометрового диапазона, основанный на исследовании фрагментации и рельефообразования тонкого покрытия на полимерной подложке после деформирования.
Показана универсальность предлагаемого метода исследования деформационно-прочностных свойств при использовании:
-покрытий различной химической природы (в работе использованы металлические покрытия: золото, платина, алюминий, а также покрытия неметаллической природы: углерод, кремнийорганическое покрытие);
-различных методов нанесения покрытий (в частности, для термического и ионно-плазменного методов);
-различных условий деформирования полимерной подложки, находящейся в стеклообразном или высокоэластическом состоянии.
Впервые проведена оценка деформационно-прочностных свойств (прочности, предела текучести, пластической деформации) металлических и неметаллических покрытий в слоях нанометрового диапазона при растяжении.
Показано, что химическая модификация полимеров низкотемпературной плазмой также приводит к образованию на поверхности полимера тонкого слоя, обладающего меньшей способностью к деформации. Данный эффект исследован на примере полимеров различной химической природы и структуры (аморфные и кристаллические, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТФ), поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), ПВХ содержащий пластификатор, полиизопреновый каучук). Модифицированный поверхностный слой возникает уже при малых (меньше минуты) временах обработки полимера плазмой и последующая его модификация существенно не влияет на его механические свойства.
Впервые проведена количественная оценка механических показателей (прочности, пластической деформации) поверхностных модифицированных в плазме слоев ПЭТФ и показано, что указанные характеристики чувствительны к физическому состоянию полимера-подложки.
Практическая значимость работы. Постановка данной работы представляет практический интерес в связи с тем, что предлагаемый метод, основанный на изучении процесса деформации материалов, состоящих из гибкой полимерной подложки и более жесткого слоя нанометровой толщины, является универсальным для определения деформационно-прочностных свойств покрытий толщиной от нескольких до десятков нанометров.
Данное явление также может быть использовано как метод создания полимерных пленок с регулярным микрорельефом. Создание новых видов полимерных пленок, обладающих регулярным микрорельефом, является одной из наиболее актуальных задач для изготовления новых видов полимерных материалов с ценными оптическими свойствами. В работе предлагается два способа получения пленок с регулярным микрорельефом, которые могут быть использованы как для полимерных пленок с жесткими покрытиями, так и для полимеров с модифицированным плазмой поверхностным слоем.
Одним из способов создания микрорельефа на поверхности полимерных пленок является одноосное растяжение пленки, содержащей, по крайней мере, на одной из своих сторон покрытие из вещества, более жесткого, чем полимер. Другим способом создания микрорельефа является термостимулированная усадка ориентированных полимерных пленок с предварительно нанесенными на их поверхность жесткими покрытиями. В результате такого растяжения или усадки на поверхности пленки возникает регулярный микрорельеф микронного уровня, параметры которого зависят от механических свойств материала полимера и покрытия, толщины нанесенного покрытия и условий растяжения или усадки.
Личный вклад автора. Автору принадлежит решающая роль на всех этапах исследования - от постановки задачи, планирования и проведения экспериментов до обсуждения и литературного оформления полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на V Всероссийской Карпшской конференции «Полимеры 2010», на Международных конференциях «Полимерные материалы Р2008», «Полимерные материалы Р2006» (Халле, Германия), на XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), на международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2009», «Ломоносов 2008», «Ломоносов 2007» (Москва), на IV Всероссийской Карпшской конференции «Наука о полимерах 21-му веку» (Москва, 2007), на симпозиуме «Направления в ианонауке» (Клостер-Ирзи, Германия, 2007), на III Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах» (Сапкт - Петербург, 2007), на XV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 2007), на микроспмпозиуме «Структура и динамика полу-организационных макромолекулярных систем» (Прага, Чехия, 2006), на XV Менделеевской школе-конференции молодых ученых (Волгоград, 2005).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 печатных работах, включая 16 статей в отечественных и зарубежных журналах, 14 тезисов российских и международных конференций, список которых приведен в автореферате, и патент РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 основных глав, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 158 страницах, включая 84 рисунка и 1 таблицу. Список литературы состоит из 174 наименований.
