Введение к работе
Актуальность темы. Создание технологий высокотемпературной обработки материалов, использующих энергию СВЧ электромагнитного поля, является актуальной научно-технической проблемой. Перспективность таких технологий связана с возможностью получения материалов, значительно превосходящих традиционные по своим функциональным и эксплуатационным свойствам. Объемный, контролируемый и селективный характер СВЧ воздействия обеспечивает принципиальную возможность управления микроструктурой материалов в процессе их получения, что позволяет создавать новые материалы с заданными свойствами. Важным преимуществом нагрева СВЧ излучением над традиционными методами является также значительное (до одного порядка величины) сокращение энергозатрат при изготовлении материалов.
Высокий технологический потенциал методов обработки материалов СВЧ излучением обусловил значительный интерес исследователей к ним. Широкое развитие исследований в данной области началось в конце 80-х гг. Первые экспериментальные результаты продемонстрировали перспективность применения методов СВЧ нагрева для спекания оксидных керамических материалов [1], отжига пост-имплантационных дефектов в полупроводниках [2], переработки промышленных отходов [3] и др. Исследования выявили ряд специфических особенностей (так называемых "микроволновых эффектов") в протекании процессов в обрабатываемых материалах, обусловленных применением для нагрева СВЧ излучения. Некоторые из этих особенностей (специфическое неоднородное распределение температуры в материале [4], тепловая неустойчивость, приводящая к локализации энерговыделения на малых масштабах [5], и др.) связаны с объемным характером СВЧ нагрева. Однако значительную часть экспериментально зафиксированных "микроволновых эффектов", например, понижение энер-
гии активации процессов массопереноса при СВЧ нагреве [6], зависимость характера протекания этих процессов от частоты поля и удельной поглощенной СВЧ мощности [7-9], не удается объяснить в рамках представлений о чисто тепловом действии СВЧ поля. Они имеют более фундаментальную природу и связаны с преобразованием энергии СВЧ электромагнитного поля в энергию неравновесных возбуждений в твердом теле, то есть с так называемым нетепловым взаимодействием поля и вещества.
Проблема соотношения тепловых и нетепловых эффектов в процессах взаимодействия СВЧ электромагнитного поля и твердого тела представляет значительный общефизический интерес. Существенная роль нетепловых эффектов указывает на возможность заметного влияния на массоперенос неравновесных возбуждений с весьма небольшим энергосодержанием (что следует из малости времени релаксации неравновесных состояний в твердом теле). Вместе с тем, выяснение природы и механизма реализации нетеплового воздействия СВЧ поля на массоперенос в твердом теле имеет важное практическое значение для технологий конструкционных и функциональных материалов, полупроводниковых приборов, СВЧ электроники и др.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование роли и соотношения тепловых и нетепловых эффектов в физических процессах взаимодействия поля и вещества, имеющих место при СВЧ обработке материалов.
Круг рассмотренных в диссертационной работе задач включает в себя кинетику уплотнения дисперсных материалов в неоднородных температурных полях, возбуждение неравновесных высокоэнергетических колебаний кристаллической решетки при СВЧ воздействии, динамику плазмы заряженных вакансий ионного кристалла в высокочастотном электрическом поле.
Научная новизна.
L. Разработана математическая модель, описывающая процессы термической обработки дисперсных порошковых материалов на основе представления о сплошной среде, ха-эактеризующейся сдвиговой и объемной вязкостями и способностью к самопроизвольному уплотнению. Исследована золь термических эффектов в специфических особенностях ЗВЧ обработки материалов. Найдено объяснение образования локализованных областей уплотнения (горячих пятен) три спекании с применением СВЧ нагрева.
I. Исследована диффузионно-дрейфовая динамика плазмы ?аряженных вакансий ионного кристалла в высокочастотном электрическом поле. Найдены механизмы нелинейного 'выпрямления" высокочастотных потоков вакансий. Найдены механизмы селективного воздействия поля на перенос вакансий, приводящие к увеличению эффективности генерации квазистационарного массопереноса. Предложено объяснение экспериментального факта уменьшения энергии активации процессов массопереноса при применении ЗВЧ нагрева.
5. Построены решения задач о деформировании ионных кристаллических тел, вызванном усредненным пондеромо-горным воздействием высокочастотного электрического юля. В частности, предсказан эффект развития гофриро-ючной неустойчивости плоской поверхности тела (а также шоского легированного слоя) в тангенциальном высоко-іастотном электрическом поле.
I. Исследованы процессы квазистационарного переноса за-шда в ионных кристаллических телах, вызванные усредненным пондеромоторным воздействием высокочастотного шектрического поля. Построенная теоретическая модель грименена к описанию экспериментов по измерению ква-іистационарного тока, возбуждаемого при СВЧ воздейст-ши на ионный кристаллический образец, включенный в іамкнутую электрическую цепь.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при оптимизации существующих и создании новых технологий СВЧ обработки материалов, в частности, при разработке методов электронного управления массопе-реносом в твердых телах.
Использование результатов работы. Результаты диссертации использовались для интерпретации результатов и планирования экспериментальных исследований в области СВЧ обработки материалов в ИПФ РАН, а также для интерпретации результатов экспериментальных исследований СВЧ детектирования на ионных кристаллах в университете Висконсин — Мэдисон (Мэдисон, США).
Публикации и апробация результатов. По теме диссертации опубликованы 4 статьи в научных журналах, 6 статей в сборниках трудов конференций, 2 препринта, 11 тезисов докладов. Основные результаты отражены в работах [1* -15*]. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в Институте прикладной физики РАН, в университете штата Мэриленд (США). Эти материалы докладывались на конференциях Общества материаловедения (США, 1994 и 1996 г.), Европейских рабочих совещаниях по микроволновой обработке материалов (Германия, 1994 и 1997 г.), конференции Американского керамического общества (США, 1995 г.), Всемирном конгрессе по микроволновой обработке материалов (США, 1997 г.), 10-й зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1995 г.), школе НАТО "Достижения в быстрой термической и интегрированной обработке" (Италия, 1995 г.), 2-й Нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Новгород, 1997 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 125 страниц, включая 100 страниц основного текста, 15 рисунков и список литературы, который состоит из 60 наименований.
