Введение к работе
Актуальность темы. Проблема описания структуры и различных свойств аморфных систем привлекает к себе в настоящее время пристальное внимание. С одной стороны, мощные методы физики твердого тела, развитые для описания кристаллического состояния, оказываются неприменимыми в случае аморфных систем. С другой стороны, относительно недавно обнаруженные разнообразные аномалии поведения таких систем вызывают большой интерес как с точки зрения теории, так и для различных приложений.
Возможность описания разнообразных процессов, происходящих в разных типах стекол и связанных с изменениями в микроструктуре (пластическая деформация, плавление, релаксационные процессы и мн. др.) тесно связана с представлениями о структурных дефектах в аморфной системе. Само по себе представление о структурном дефекте чрезвычайно широко используется в физике твердого тела и служит основным инструментом описания широкого круга явлений в кристаллах. Вместе с тем, распространение этого понятия на аморфные системы представляется весьма затруднительным - отсутствие дальнего порядка не дает возможности ни определить однозначно микроструктуру ядра дефекта (нарушение такого порядка), ни связать конкретную структуру с распределением напряжений в упругом континууме (подобно тому, как описываются дислокации в теории Вольтерра).
До недавнего времени эти трудности представлялись абсолютно непреодолимыми. Ранние попытки приспособить дислокационные представления, заимствованные из физики кристаллов, для описания аморфных систем [1], оказались безуспешными. В 70 - х годах, однако, была разработана концепция топологических дефектов в аисрфЕой структуре №. Зте дефекты тто супг ігрядстя.'шї'ятот собой линии, состоящие из колец с нарушенной четностью в случайной сетке, дуальной реальной структуре. В той же работе было доказано, что такие линии, подобно линиям дислокаций в кристалле, не могут обрываться - они либо заканчиваются на поверхности образца, либо образуют замкнутые петли. Рассмотрение упругого континуума с такими дефектами позволило успешно описать
1 *
релаксационные свойства стекол вблизи точки стеклования (закон Фогеля - Фульхера) и другие важные эффекты.
Вместе с тем данный подход не дал до настоящего времени возможности описать механическое поведение неупорядоченных систем, в частности, пластическую деформацию. Получение же такого описания в терминах структурных дефектов весьма желательно как в целях лучшего понимания особенностей изменения структуры неупорядоченных систем под действием механической нагрузки, так и для предсказания различных важных свойств аморфных систем.
Кроме того, важное место в современных исследованиях стекол занимает изучение вопросов, связанных с аномальными температурными зависимостями теплоемкости и теплопроводности вблизи абсолютного нуля. Такие аномалии, свойственные широкому кругу стекол - от неорганических до полимерных - объясняются в современных теориях наличием низкочастотных локализованных возбуждений, яе подчиняющихся закону Дебая. Весьма желательно было бы описать такие возбуждения и структурные дефекты, ответственные за динамическое поведение/ на базе единой концепции.
Цель работы.
1. Па основе концепции топологического беспорядка в неупоря
доченных средах выделить точечные структурные дефекты, опре
деляющие механизм пластической деформации в стеклах, рассчи
тать поле упругих напряжений, вызываемых таким дефектом, и
его энергию.
2. Исследовать связь введенных дефектов с локализованны
ми низкочастотными колебатслишшЁ кодами. Сформулировать
условия возбуждения такой моды внешней упругой волной и вы
явить особенности соответствующей локальной структуры на
основе молекулярных потенциалов взаимодействия. Рассчитать
дальнее поле, соответствующее такой локальной моде.
3. На основе энергетического подхода построить модельное опи-
сание пластической деформации в упругом континууме с введенными структурными дефектами. С этой целью рассчитать энергию взаимодействия дефекта с внешним упругим полем и определить условия рождения дефектов и их параметры.
-
Изучить дефектные структуры, формирующиеся в процессе пластической деформации. Для этого рассчитать взаимодействие образующихся дефектов и выделить структурные параметры, соответствующие минимуму упругой энергии.
-
С учетом структурных особенностей полимерных стекол оценить микроскопические параметры структурного дефекта в этом классе систем. На этой основе рассчитать характеристики процесса пластической деформации и сравнить их с экспериментом.
Научная новизна
Впервые на основе модели топологического линейного дефекта сформулировано представление о точечном структурном дефекте в аморфной структуре и рассчитаны его параметры. Выявлена связь такого дефекта с низкочастотной локализованной колебательной модой. Показано, что для существования подобной моды необходим сильный локальный энгармонизм в области локализации. Показано, что локализованное колебательное состояние возникает при наличии ангармонизма отрицательного знака и значительных отклонениях локальных жесткостей от средних значений. С точки зрения локальной структуры, очевидно, это возможно лишь при взаимодействии "на хвостах" молекулярного потенциала.
Построена модель пластической деформации, учитывающая рождение таких структурных дефектов. Рассчитана величина предела текучести для случая одноосного нагружения и определены особенности локального напряженного состояния в области неупругай деформации. Показано, что наиболее выгодная структура, формируемая в процессе кооперации дефектов может быть идентифицирована с известными из эксперимента полосами сдвига. Вычислены характеристики таких полос. Оценены параметры дефекта для полимерных стекол и на этой основе рассчитан предел текучести таких систем.
Практическая ценность
Результаты настоящей работы создают основу для предсказания механических свойств стекол, а также гранулированных систем, широко используемых на практике.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на 18 Международном Конгрессе по теоретической и прикладной механике (ICTAM) ( г. Хайфа, Израиль, 1992), на 10-й международной конференции по спектроскопии полимеров (СПб, 1993), 2-й Конференции ЕШЮМЕСН (г. Генуя, Италия, 1994), 15 Канадском конгрессе по прикладной механике (Ванкувер, Канада, 1995) и на ряде других международных научных конференций, конференциях Отдела полимеров и композиционных материалов ИХФ РАН и МФТИ, а также на семинарах в ИХФ РАН и в Институте проблем механики.
Публикации По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Структзгра и объем диссертации Диссертация состоит из трех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 60 страницах машинописного текста, содержит 10 рисунков. Библиография включает 75 наименований.
