CC BY
27
Физико-математические науки
11
УДК 336.225.673
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА ПОДВЕРГНУТОГО ЛАЗЕРНОМУ ОБЛУЧЕНИЮ
Кунижев Б.И., доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики (КТФ),
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик
Цечоева А.Х., кандидат технических наук, заведующий кафедрой машиностроения, доцент Ингушского государственного университета, г. Назрань Мержоева Т.М., заведующий лабораторией кафедры теоретической физики Ингушского государственного университета, г. Назрань Маршенова К.З., магистрант,
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик
Назранов А.З., магистрант,
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик
E-mail: [email protected]
В работе показано, что при лазерном облучении диэлектрические свойства полиметилметакрилата претерпевают существенные изменения. Установлено, что время релаксации электрических параметров облученных образцов полиметилметакрилата составляет 80±10 часов, что соответствует электрет-ному состоянию.
Ключевые слова: диэлектрические свойства, полиметилметакрилат, электретное состояние, импульсные излучения, лазерные излучения.
DIELECTRICP ROPERTIES POLYMETHYLMETHACRYLATE STRUCTURE SUBJECTED TO RADIATION EXPOSURE
Kunizhev B.I., doctor of physical and mathematical sciences, professor of theoretical physics department,
FSBEI HE «Kabardino-Balkarian state university after H.M. Berbekov», dty of Nalchic
Tsechoeva A.H., сandidate of technical sciences,
head of the department of mechanical engineering,
associate professor of the Ingush state university, dty of Nazran
Merzhoeva T.M., head of the laboratory of theoretical physics
department Ingush state university,
associate professor, Ingush state university, city of Nazran
Marshenova K.Z., undergraduate,
FSBEI HE «Kabardino-Balkarian state university after H.M. Berbekov», dty of Nalchic Nazranov A.Z., undergraduate,
FSBEI HE «Kabardino-Balkarian state university after H.M. Berbekov», dty of Nalchic
It is shown that the laserirradiation of the electrical properties of polymethylmethacrylategoes through significant changes. It was found that the relaxation time of the electrical parameters of the irradiated samples of polymethylmethacrylate is 80±10 hours, which corresponds to an electrets state.
Key words: dielectric properties, polymethylmethacrylate,electrets state, pulsed radiation, laserradiation.
12
Б.И. КУНИЖЕВ, АХ ЦЕЧОЕВА, Т.М. МЕРЖОЕВА, К.З. МАРШЕНОВА АЗ. НАЗРАНОВ,
Применение полимеров в качестве диэлектриков приобретает в настоящее время все большее значение. Выбор полимерного диэлектрика в каждом отдельном случае зависит от диэлектрических и других свойств в широком интервале температур и частот электрического поля. Исследование диэлектрических свойств является одним из наиболее удобных и чувствительных методов изучения строения полимеров [1].
Характерной особенностью полимеров является независимое движение отрезков цепи, состоящих из большого числа мономерных звеньев (сегментов). Кроме движения сегментов, в полимерах осуществляется движение более мелких и более подвижных кинетических единиц. Такими кинетически независимыми единицами могут быть боковые цепи или отдельные группы атомов [1].
В качестве объекта исследования использовался технический полиметилметакрилат, линейный термопластический полимер, который является технологичным высокомолекулярным соединением и как конструкционный материал применяется в нанотехнологии, при решении проблем управляемого термоядерного взрыва, в медицине, в частности, в офтальмологи.
Проблема изучения взаимодействия лазерного излучения с полимерными материалами лежит в области исследования воздействия на вещество интенсивных потоков энергии. Влияние импульсного лазерного излучения на высокомолекулярное вещество изучалось по изменениям электрических параметров облученных материалов. Изменения е', tgö в зависимости от частоты внешнего поля, дозы лазерного облучения, температуры и времени исследовались высокочувствительным физико-химическим методом - методом диэлектрических потерь.
Образцы освещались неполяризованным лазерным излучением с длиной волны - 511 нм. Лазерные импульсы, следовавшие с частотой 8,0 кГц, имеющие длительность порядка 25 нс облучали поверхность полимера в течение 5 с. Средняя мощность лазерного излучения достигала 4,0 Вт. Пятно облучения размером 2,5 см2 за счет сканирования засвечивало образец, площадь которого составляла до 8 см2. Максимальная интенсивность излучения в им-
пульсе у поверхности ПММА изменялась от 3,0 до 9 кВт/см2.
Достигнутые в экспериментах мощности лазерного облучения способствовали, по нашему мнению, нагреванию оптически прозрачной среды ПММА до высоких температур, но при этом не достигалась температура размягчения полиметилметакрилата.
Рассмотрим влияние лазерного облучения небольшой интенсивности на электрические характеристики полиметилметакрилата -диэлектрическую проницаемость е' и тангенс угла диэлектрических потерь 1д5 среды.
Как выяснилось, после облучения полимеров электрические параметры (ЭП) материалов претерпевают, как правило, определенные изменения. Оказалось, что эти изменения являются обратимыми, и, спустя какое-то время, происходит возврат характеристик к начальным (или почти к начальным) данным (табл. 1-3, рис. 1). Как показывают наши данные, численные значения и характер вариаций ЭП ПММА после лазерного облучения определяются свойствами данного вещества и могут служить его индивидуальным признаком.
Таблица 1
Электрические характеристики ПММА спустя 2-6 часов после облучения
Материал (ПММА), (ПММА)2*
J (кВТ/см2) 5 0,9
1±0,1 1,3±0,2
tgöi/tgö0 1,4±0,1 4,6±0,6
Таблица 2 Времена релаксации электрических характеристик ПММА после лазерного облучения
Материал (ПММА), (ПММА)2*
J (кВТ/см2) 5 0,9
Трел (ч) и 80±10 80±10
трел (ч) [gö] 80±10 80±10
* f = 8,5 кГц.
Таблица 3
Электрические характеристики ПММА в разные моменты времени
Материал (ПММА), (ПММА)2
Характеристики гдб < 5 • 103 гдб • 103
До облучения
7,8 ±0,9 13 + 2 8,5±0,9 14±2
После облучения
Спустя 2-6 ч 7,4 ±0,9 19±3 5,6+0,7 19+3
Спустя 11,5103 ч 8,2 ±0,9 10±1 6,8±0,8 12+2
В экспериментах образец ПММА обучали сначала излучением с 1ИМП = 5кВт/см2 с малой частотой следования импульсов (ЧСИ), потом излучением с 1ИМП = 0,9 кВт/см2 и f = 8,5кГц. Полученные результаты приведены в табл. 1 и на рис. 1. Как видно из таблицы, для небольших ЧСИ оптический прозрачный ПММА наименее чувствителен к облучению. С другой стороны, излучение значительно меньшей ГИМП, но большой ЧСИ производит большие изменения ЭП. В этом могут играть роль следующие обстоятельства. Если трел дипольно-групповых диэлектрических потерь в ПММА при наших температурах попадает в наносекундный диапазон времен, то трел дипольно-сегментальных потерь будет на 4 порядка больше
Таким образом, если последняя величина будет, то импульсное воздействие на диполи переходит в квазинепрерывное [1, 3] и это су-
щественно меняет электрические параметры ПММА.
По нашим данным, при температуре 25±3 °С у полиметилметакрилата трел = 80±10 ч - примерно постоянно для всех ЭП и условий лазерного облучения. Эта цифра хорошо согласуется с трел электретного состояния ПММА, тогда как процессы терморелаксации ПММА к исходным данным при температуре 50 °С протекают за время порядка 20 часов.
Измерения электрических характеристик облученного образца (ПММА) и необлученных материалов из той же проводился еще раз, спустя 11,5 • 103 ч (16 мес.) после облучения. Нам хотелось выяснить, не повлияло ли существенным образом лазерное облучение на процессы естественного старения полимеров.
Электрические свойства ПММА в разные моменты времени представлены в табл. 3 (при рас-
Рис. 1. Электрические характеристики ПММА после лазерного облучения: I - (ПММА) - 1ИМП = 5 кВТ/см2, А - (ПММА)2 -1ИМП = 0,9 кВт/см2, f = 8,5 кГц
Б.И. КУНИЖЕВ, А.Х. ЦЕЧОЕВА, Т.М. МЕРЖОЕВА, К.З. МАРШЕНОВА, А.З. НАЗРАНОВ,
14
— I---т-1-1-1-1-1-т к
170 200 230 260 290 320 350 3gO 410 440 "
Рис. 2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь ПММА при частоте 50 кГц
смотрении результатов необходимо учесть, что в процессе старения возникают новые сшивки макроцепей и величины всех параметров ПММА при этом, как правило, снижаются).
Выяснилось, что все электрические характеристики ЭП ПММА релаксируются до конца, а затем идет естественное старение образцов так же, как и необлученного вещества.
Далее приводятся результаты исследования диэлектрических параметров ПММА при частотах 50 и 80 кГц в интервале температур от 170 до 420 К.
На рисунке 2 представлена температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь ПММА при частоте 50 кГц. Как видно из этого рисунка, в температурном диапазоне от 170 до 420 К наблюдаются четыре максимума потерь при температурах: 185 К - у, 275 К - в, 382 К - а1, 420 К - а2.
Первые две области релаксации связаны с локальными процессами дипольной поляризации, а в областях а1 и а2 процессы релаксации являются кооперативными и связаны с размораживанием сегментальной подвижности макромолекул по-лиметилметакрилата.
Более низкотемпературный у - процесс связан с мелкомасштабными движениями и обусловлен вращательно-колебательными движениями боковых групп [-СОО-] вокруг оси, поперечной макромолекулярной цепи ПММА, а в - процесс, наблюдаемый в температурном интервале 230-290 К это мелкомасштабный релаксации связи -С-С-СОО- и образованных ими диполей в пределах одного звена [1].
о.ю-0.08-I
I I I I -(-' ♦
170 200 230 260 290 320 350 310 410 440 Т. К
Рис. 3. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для ПММА при частоте 80 кГц
Так в случае ПММА с изотактическим строением макромолекул, когда боковые привески, включающие полярные атомные группы -СОО-, располагаются по одну сторону цепи, и, находясь в непосредственной близости друг от друга, значительно затрудняют возможность своей вращательной подвижности вокруг С-С связей, соединяющих их с главной цепью, без того, чтобы ближайшие соседи при этом также не перемещались некоторым образом, предоставляя возможность их поворотов. Мы считаем, что приведенный выше механизм объясняет асимметричную структуру в-максимума и тот факт, что он лежит выше в-максимума при частоте 50 кГц на 90 К. Наличие двух а-максимумов мы также связываем с содержанием в исследуемом нами образце ПММА макромолекул, имеющих изо- и синдиоструктуры.
На рисунке 3 представлена температурная зависимость tg6 ПММА при частоте 80 кГц. Если сравнить данные рисунков 2 и 3, видно, что температурные положения максимумов от частоты внешнего поля не зависят. Во втором случае максимумы а1 и а2 сливаются и проявляются в виде одного асимметричного максимума. Следует отметить, что общий фон диэлектрических потерь уменьшается при частоте внешнего воздействия 80 кГц. Это можно связать с тем, что поляризующихся диполей, имеющих длину, соизмеримую с длиной волны соответствующей частоте 80 кГц в полиметилметакрилате, меньше почти в 2 раза, чем диполей, укладывающихся в среднестатистическую длину волны, соответствующей частоте 50 кГц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Блайт Э.Р., Блур Д. Электрические свойства полимеров // Пер. с англ. - М.: Физико-математическая литература, 2008. - 376 с.
2. ТоршхоевЗ.С., Кунижев Б.И., Ахриев А.С. Процессы импульсного воздействия на полимерные материалы // Пластические массы. - 2008. - № 11. - С. 27-30.
3. Костин В.В., Фортов В.Е., КрасюкИ.К., Кунижев Б.И., Темроков А.И. Исследование ударноволновых и деструкционных процессов при высокоскоростном ударе и лазерном воздействии на мишень из органического материала // Теплофизика высоких температур. - 1997. - Т. 35. - № 6. - С. 962-967.
