Введение к работе
Актуальность работы
Стекла являются сложным объектом физики конденсированных сред. Отсутствие периодичности в стеклах приводит к тому, что большинство теоретических методов, которые с успехом применяются в физике кристаллов, не могут быть использованы в случае стекол. В результате строгие теоретические описания стекол не могут далеко продвинуться от базисных уравнений [ 1 ].
С другой стороны, научный интерес и технологические
потребности стимулируют рождение огромного числа
экспериментальных работ, посвященных изучению различных физических свойств стекол [2]. Необходимость систематизации и осознания экспериментальных результатов иницирует большое количество эмпирических и феноменологических подходов и моделей для описания свойств стекол. Однако, фундаментальные вопросы: как устроено стекло (структура стекла) и какие элементарные возбуждения (динамика стекла) определяют его физические свойства, остаются открытыми до сих пор.
Из эксперимента установлено, что структура и динамика стекол на ближнем порядке (атом-соседний атом) подобна кристаллам. С другой стороны, отсутствие периодичности в стеклах приводит к потере дальнего порядка, который существует в кристаллах. Следовательно, в случае стекол необходимо описание на промежуточной шкале длин между длинами для ближнего и дальнего порядков. Этот диапазон длин (диапазон среднего порядка) должен характеризовать масштаб, на котором происходит переход от порядка, существующего на атомном диапазоне, к беспорядку. Ожидается, что диапазон среднего порядка соответствует нанометровой шкале длин. Понимание физической структуры и динамики стекол на среднем порядке является ключом к пониманию природы стекла и глобальных закономерностей управляющих свойствами стекол. Эта идея поддерживает усилия
большого количества исследователей во всем міфе по изученшо нанометровой структуры и динамики стекол.
Экспериментальными методиками для исследования динамики на нанометровом масштабе являются низкотемпературные измерения теплоемкости [3], неупругое рассеяние нейтронов [4], инфракрасное поглощение |5| и низкочастотное комбинационное рассеяние [6] стекол (динамический диапазон 1-200 см1). Эти методики показывают существование недебаевской плотности колебательных состояний, которое как было показано, является универсальным свойством стекол. Несмотря на существование различных объяснений микроскопического происхождения этих колебательных возбуждении, большинство современных исследователей связывает их с колебательными возбуждениями, локализованными на нанометровом масштабе.
Из анализа температурной зависимости экспериментального сигнала, полученного в методиках рассеяния света и нейтронов, было найдено существование ангармонического вклада в диапазоне со < 20 см" ' [6,7]. Этот вклад называют "релаксационным", когда хотят подчеркнуть, что он отражает релаксационные процессы, и "квазиупругим", когда хотят подчеркнуть, что экспериментально он проявляется на частотном диапазоне около упругого (статического) сигнала. Эта релаксация является самой быстрой неэлектронной релаксацией в стеклах. Многие физические свойства стекол связываются с релаксационными процессами, реализующимися в различных временных и пространственных диапазонах. Понимание природы быстрой релаксации необходимо для построения полной картины релаксационных процессов в стеклах. Существует несколько эмпирических и феноменологических моделей для интерпретации квазиупругого рассеяния. Однако, сегодня еще не ясно: могут ли эти модели описать быструю релаксацию в стекле или нет. Одной из причин такой ситуации является дефицит информации об экспериментальном проявлении квазиупругого рассеяния. Поэтому экспериментальное исследование низкочастотных спектров и анализ спектров квазиупругого рассеяния является актуальной темой в современной физике стекла.
Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению низкочастотных спектров комбинационного рассеяния света в
полимерных стеклах. Полимерные стекла, как объекты для экспериментального изучения квазиупругого рассеяния в стеклах, имеют ряд преимуществ: во многих полимерных стеклах (с выраженной атактичностыо) легко избежать процессов кристаллизации; многие из них имеют удобный диапазон стеклования (0С-300С); сосуществование жестких химических связей вігутри полимерной цепи и сравнительно более слабых межмолекулярных дает надежду для поиска некоторых упрощений при построении физической моделей. Широкое промышленное использование полимеров (от компонента зубных пломб в стоматологии до термопластнков для космических аппаратов) подчеркивает важность изучения полимерных стекол.
Цель работы
1. Экспериментальное исследование низкочастотных спектров
комбинационного рассеяния света в некоторых полимерных стеклах и
анализ температурного поведения спектров квазиупругого рассеяния.
Поиск основных закономерностей этого поведения и их интерпретация.
2. Экспериментальное изучение влияния температурной
обработки полимеров выше температуры стеклования на спектры
квазиупругого рассеяния.
Научная новизна
-
Обнаружено, что форма спектров квазиупругого рассеяния в полиметилметакрнлате, полистироле и поликарбонате меняется слабо с температурой в температурном интервале Tg/З < Т < Tg (Tg -температура стеклования), в то время, как интенсивность квазнупругих спектров быстро возрастает с температурой.
-
Показано, что количество независимо релакенрующих групп атомов растет с температурой. Это возрастание может быть хорошо описано суммой нескольких активационных экспонент.
3. Впервые обнаружена линейная корреляция между концентрацией двойных связей в полиметилметакрнлате, изменяемой температурной обработкой, и интенсивностью квазиупругого рассеяния света.
Практическая ценность работы
Предлагаемая в диссертационной работе связь квазиупругого рассеяния света со свободным объемом может быть интересна для понимания и предсказания температурного поведения физических свойств полимеров, которые часто описываются в терминах свободного объема (прочность, пластичность, вязкоупругое поведение).
Для практического использования важен также полученный в полиметилметакрнлате результат, что интенсивность быстрой релаксации пропорциональна концентрации свободных мономеров, изменяемой температурной обработкоіі. Этот результат показывает важную роль естественных пластификаторов для интенсивности релаксационных процессов, что открывает перспективы для изменения физических свойств полимеров без существенного изменения их химической и физической структуры.
Па защиту вмнооггеи:
1) Результаты экспериментальных исследований температурного
поведения спектров квазнупругого рассеяния света в
полиметилметакрнлате, поликарбонате, полистироле: слабая
зависимость формы спектров квазиупругого рассеяния от температуры и
сильная температурная зависимость интенсивности этих спектров.
2) Результат экспериментального исследования влияния
температурної! обработки полнмегнлмстакрнлата на спектры
квазнупругого рассеяния света: линейная связь между интенсивностью
квазиупругого рассеяния света и концентрацией свободных мономеров, исменяемых температурной обработкой.
3) Интерпретация экспериментальных результатов моделью свободного объема.
Аппробация работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах лаборатории физической электроники Института Автоматики и Электрометрии СО РАН, Новосибирск, на семинаре "Физика стекла" (Garshy, Франция, 1995), на европейском семинаре по использованию комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения для изучения полимеров (Лион, Франция, 1995), По результатам диссертации в печати опубликовано 8 работ.
Структура и объем диссертационной работы
