Введение к работе
Актуальность исследования. В последние роды экспериментально установлено родство различных диффузионных аномалий, описываемых гиперболическими волновыми уравнениями, и диффузии согласно законам Фика. В этой связи потребовалось создание феноменологической модели диффузии, описывающей с единых позиций все многообразие диффузионного поведения в некристаллических твердых телах. До настоящей работы эта задача не находила своего решения: известные попытки усовершенствования уравнений диффузии путем введения в них дополнительных эмпирических членов к успеху не привели.
Кроме этого, до настоящей работы не существовало описания ионообменной взаимодиффузии в стекле в условиях перестраивающегося (релаксирующего) каркаса. Отсутствие феноменологической модели, аналогичной модели Фика, но разработанной с учетом кинетики релаксационных изменений, не позволяло добиться полного соответствия между теорией и экспериментом. Предложенная в настоящей работе модель устраняет это противоречие.
Процесс установления квазиравновесного состояния на поверхности стекла также ранее не рассматривался, а теоретическое описание ограничивалось рассмотрением стекла после ионного обмена как регулярного твердого раствора. Таким образом, реальное время установления квазиравновесия не находило отражения в ранее принятой теоретической модели. Такое положение не позволяло получить точную информацию о параметрах диффузии и переноса на границе. В то же время, эта информация необходима, ибо она позволяет прогнозировать диффузионное поведение системы и решать практически важные задачи направленного диффузионного синтеза. Без феноменологической модели, адекватно описывающей реальный процесс диффузии в релаксирующей матрице, решение таких задач сильно затруднено. В настоящей работе найдено теоретическое описание, устраняющее указанные несоответствия.
Цель работы состояла в создании феноменологической модели диффузии и релаксации, описывающей в рамках единых физических представлений все известные случаи диффузионного поведения.
Для осуществления этой цели были решены следующие задачи: 1. На основании введенных физических представлений, получена система дифференциальных уравнений, описывающих кинетику про-liw;cob диффузии и релаксации.
-
Сформулирован набор граничных условий краевой задачи диффузии при условии наличия трех стадий, определяющих скорость процесса (реакция переноса на границе раздела, диффузия в объеме, релаксация структуры матрицы под действием диффуэанта).
-
Создан комплекс расчетных программ для ЭВМ.
-
Рассмотрен ряд предельных случаев краевой задачи диффузии, вытекающих из предложенной системы уравнений.
-
Проведено сопоставление предложенной теории и известных экспериментальных результатов, в том числе и не имевших ранее объяснения.
Научная новизна. Предложена физическая модель и математическое описание диффузии и релаксации, в основе которой лежат представления о различии свойств в системе подвижный диффузант - неподвижная матрица (коэффициент диффузии, равновесная сорб-ционная способность и т.д.) до и после релаксации. Создана модель процесса установления равновесия на границе раздела фаз при условии, что стадиями, определяющими скорость процесса, являются гетерогенная реакция на границе, диффузия в объеме и релаксация структуры. Проведен теоретический анализ влияния формы и размеров образца на кинетику изменения концентрации диффузанта на поверхности образца.
Практическая значимость. Предложенная модель способствует успешной разработке новых материалов, используемых при создании элементов градиентной и планерной оптики. Использование модели позволит разрабатывать новые технологические процессы диффузионной обработки стекла и полимеров при создании оптических и аккустических элементов с заданными распределениями свойств в объеме. Применение модели позволит прогнозировать диффузионное поведение в системах, что способствует успешному управлению технологическими процессами диффузионного синтеза.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на совместном семинаре кафедры прикладной физики и оптики твердого тела СПОГТУ и ИВС РАН г.С,-Петербург в ноябре 1993г., на посто-яннодействующем всероссийском семинаре по проблемам диффузии в полимерах в ИФХ АН России г.Москва 18 февраля 1994г. и на 5-ой конференции по химии и физикохиыии олигомеров "Олигомеры-5", П.Черноголовка, 4-6 октября 1994г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть работ, отражающих ее основное содержание.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 138 страницах, содержит 27 рисунков и 8 таблиц.
