CC BY
67
№4,2002г.
71
I УДК.539.21-036.6/.8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.А. Ковтунец
Павлодарский государственный университет
щм
Щ им. С. Торайгырова
Щв WWM
ЙЩ Жумыопа dip мезеттпе апатикальщ куш пен температура эсер
Jpgg ememiii свуле лендipиге)/ полимерлердщ физика-механикалыц щасиеттерш |jp зерттеу тэс1лдер1 жасалган. Полимерл1 кабьщшаларды ертурл1
Ш- температуралырда тексерт зерттейтш к;ондыргы, ЭЛУ-6 злектронды удеткиштц техникалъщ момкшштктер1, электрон ьиогыныц энергиясы мен gfgi к,уатын, оныц бурыштьщ у лесу in зерттеу нотижелер1, улг1лерд\ электрондармен с.эулглгндьру odicmeMeci сипатталган.
Разработаны методы исследования физико - механических свойств облученных полимеров при одновременном воздействии на них статистической нагрузки и температуры. Описаны установка для температурных испытаний полимерных пленок, основные технические характеристики ускорителя электронов ЭЛУ-6, результаты изучения мощности и энергии пучка электронов, его угловое распределение, методика облучения образцов электронами.
The research techniques of physic - mechanical characteristics of the irradiated polymers under simultaneous effect of a statical load and temperature has been elaborated. The main characteristics of the accelerator of electrons of ELA - 6, outcomes of learning ofpower and energy of an electron beam, its angular distribution, methods of irradiated samples by electrons installation for temperature trials of polymeric films, have been described.
Полимеры, как одна из разновидностей конденсированного состояния вещества, в настоящее время применяются во всех отраслях промышленности. В последние годы
синтезированы и новые (или модифицированы известные) материалы, обладающие интересными свойствами. Однако свойства их пока до конца не изучены, поэтому требуются
дальнейшие, более широкие исследования как уже известных, так и новых свойств полимеров. Одним из таких направлений является изучение физико-механических (предел прочности, упругости, вязкости и др.) характеристик полимеров при высоких температурах и статических нагрузках.
Как известно, полимеры (органические и неорганические) - это такие соединения, молекулы которых представляют собой последовательность большого числа повторяющихся атомных группировок, соединенных ковалентными химическими связями, а все цепные макромолекулы полимеров отличаются по химическому составу и регулярности строения.
Гибкость - одно из основных свойств полимерных цепей, приводящее к качественно новым свойствам веществ высокомолекулярного строения. Высокая эластичность, гибкость в твердом состоянии даже ниже температуры стеклования делают полимеры незаменимыми при использовании в ряде производств, таких как электроизоляционные материалы, в промышленности, космических и аэроисследованиях и др.
Механические свойства полимеров непосредственно связаны с их структурными особенностями, а их структурная неоднородность определяется областями с различной степенью упорядоченности, дефектов,
формирующих перенапряжение на отдельных участках и зарождение трещин.
Прочность полимера может варьироваться в широких пределах, в зависимости от его химического строения, структуры, а также и от длины макромолекул. Чем больше молекулярная масса (М) полимера, тем больший эффект действия меж-молекулярных связей и, соответственно, механическая прочность полимера [1-3].
С любым из физических состояний связан определенный комплекс физических свойств полимеров, и каждому соответствует своя область их технического и технологического использования. Физические состояния и границы их существования изучаются многими методами, среди которых исследования изменений механических свойств полимеров, чрезвычайно чувствительных как к структурным изменениям, так и к релаксационным переходам. Деформируемость образцов - одна из важнейших характеристик. По степени деформируемости полимеров при воздействии силовых нагрузок в широком температурном диапазоне чаще всего и оценивают их основные технологические и эксплуатационные свойства [4]. Развитие атомной и радиационной промышленности, космических исследований и т.п. определили ряд новых требований к свойствам полимеров, в част-
№4, 2002г.
73
ности, радиационной стойкости и долговечности.
Характерная особенность воздействия излучения на полимеры обусловлена их высокой молекулярной массой и, соответственно, специфической надмолекулярной организацией. Поэтому даже незначительные изменения в химическом строении приводят к существенным изменениям их макрохарактеристик, что и определяет высокую эффективность ряда радиационно-хими-ческих процессов [5]. Облучение полимеров заряженными частицами относительно небольших энергий сопровождается образованием положительных ионов в возбужденном состоянии и свободных радикалов, которые и ответственны за большинство наблюдаемых химических изменений.
Вторичные радиационно-хими-ческие процессы, протекающие с участием первичных продуктов радио-лиза и молекул их окружения, идут вслед за актами первичной ионизации и возбуждения - они-то и определяют конечные изменения химического строения облучаемых веществ. При облучении полимеров в них происходят как обратимые, так и необратимые изменения. [6]. Обратимые изменения обусловлены присутствием в материале нестабилизи-рованных продуктов, тогда как необратимые - есть следствие тех химических превращений, которые про-
изошли после завершения реакции между этими продуктами и молекулами и атомами окружающей среды.
Образование межмолекулярных химических связей и разрыв полимерных молекул при облучении являются необратимыми радиаци-онно-химическими процессами, которые приводят к наиболее значительным изменениям структуры и, соответственно, свойств полимеров.
В данной работе использовались такие методы, которые позволяют выявить особенности поведения некоторых полимерных материалов при воздействии на них различных температур, статической нагрузки и радиационного облучения, в частности, электронами.
Пленочные полимерные системы исследовались вначале на предмет их максимальной статической нагрузки при нормальных условиях, вплоть до разрыва, что и определяло впоследствии уровень (в процентах) таких нагрузок и являлось точкой отсчета. Находились также тепловые границы разрушения полимерных материалов, что также служило критерием температурных воздействий. Облучение полимеров электронами различных доз позволяло определить степень радиационных воздействий, вплоть до их разрушения. Статические нагрузки формировались на основе комбинации калиброванных грузов, позволяющих широкие вариации их ис-
пользования. Температурное воздействие на полимеры осуществлялось в специальной установке, представляющей часть экспериментального комплекса с рабочим диапазоном температур от комнатной до 400 °С и погрешностью задаваемой температуры ,5 %.
При облучении материалов электронами или другими частицами важными параметрами являются их энергетическое и угловое распределение, т.к. любые изменения энергии влияют на поглощенную дозу в облучаемом объекте, а ее пространственное распределение, в конечном счете, на процесс образования радиационных дефектов. В данной работе использовался линейный ускоритель электронов ЭЛУ-6 при АГУ им. Абая. При выходе из окна ускорителя, представляющего собой титановую фольгу толщиной 0,1 мм, электроны попадают в воздух при нормальных условиях. Это, в совокупности, и определяет спектральное распределение электронов перед их воздействием на заданный объект. Поэтому вначале были исследованы технические возможности ускорителя, что связано с переналадкой и рядом конструктивных изменений в его системе. Данные этих исследований представлены на рис. 1,2.
Исследования пространственного распределения плотности тока пучка]* (мкА/см2) показали, что его вертикальная составляющая (Ь) ска-
нируемая с частотой 3 Гц, имеет некоторую асимметрию - это связано с обрезанием нижней части пучка электронов основанием ускорителя. Отличие j в центре пучка и в его верхней части составляет 15 - ти кратное значение для расстояния 0,4 м от окна ускорителя и почти исчезает для 1,7 м. Значительно меньшее размывание плотности пучка электронов наблюдается по горизонтали (с1). Для растояния 1 ~ 0,4 м от выхода электронов ускорителя плотность тока в центре пучка всего в 1,4 раза выше чем при смещении от него на ±0,05 м. На расстоянии 1 = 1,0 и 1,7 м изменения плотности тока в этом интервале координаты практически малозаметны. Все указанное выше позволяет выбрать рабочую зону ускорителя для облучения образцов электронами.
Наиболее распространенным способом определения энергии ускоренных частиц является нахождение длины пробега частиц в веществе. Вследствие взаимодействия упругих и неупругих частиц с атомами и молекулами вещества они непрерывно теряют свою энергию. При большом количестве взаимодействий (И), сопровождающихся квантовыми потерями энергии, эти потери, естественно, определяются начальной кинетической энергией частицы Ек и свойствами вещества. Тогда средняя длина пробега <Я> частицы в веществе определится:
№4, 2Ш2г
75
1
<Я> =
<N>t
¡у
X*.
Для электронов <Я> находят, в частности, определяя число электронов, прошедших через различные толщины вещества. На практике это производится с помощью цилиндра Фарадея, измеряющего значение плотности тока j (мкА/см2) в заданной точке пучка. Так, в алюминии указанная зависимость доя электронов определится
в виде: Лэ =0,542 Ек - 0,133 для Ек в диапазоне энергий 0,8 чЗ МэВ, здесь [Яэ] = г/ см2 [5,7,8]. Найденная средняя кинетическая энергия электронов для ЭЛУ - б составила 2 МэВ.
Исследование углового распределения пучка электронов носит более сложный характер, т.к. в каждом акте взаимодействия электроны ускорителя с атомами (электронами, ядрами) вещества теряют незначительную энергию. Интенсивность пучка в веществе снижается почти по экспоненциальному закону, а траектория отдельного электрона
очень ломана и извилиста.
Экспериментально установлено, что распределение электронов по углам рассеяния q при их прохождении в веществе описывается функцией вида:
Р(и)=Ке'и1/2<и>2,
где К - нормировочный коэффициент.
Данная зависимость близка к гауссовому распределению для случайных величин, но эта близость размывается при возрастании толщины поглотителя, где электроны теряют свою энергию как на ионизацию атомов (X), так и их возбуждение, вследствие чего последние испускают электромагнитное излучение, что собственно и происходит с электронами ускорителя при их энергии, не превышающей 2 МэВ. Оценка рассеяния такого электрона на атомном электроне дана в [9] и имеет следующий вид:
в- = 0.157
А(Р * о)-
1.13* 104 *
Л*/З2
(1)
где Ь=и/с; А - массовое число. здесь г - плотность вещества
измеряемое в граммах, [Р*и] - в МэВ, рассеивателя [г/см3]; х- толщина ве-I = г*х [г/см2], щества (см), а
Распределение плотности тока по У (Ь) на расстояниях 1 (м): 1 - 0,4; 2 -1,0; 3 - 1,7 выхода пучка электронов из ускорителя ЭЛУ - 6.
}, мкА/см2
О 0,3 0,6 0,9
Рис. 1
Распределение плотности тока по X (ё) на расстояниях 1(м): 1 - 0,4; 2 -1,0; 3 -1,7 выхода пучка электронов из ускорителя ЭЛУ - 6.
], мкА/'см"
Рис. 2
№4, 2002г.
77
Е, + т0с'
т с2 = 0,511 МзВ - масса покоя электрона.
Используя прием замены слоя воздуха слоем алюминия, где экстраполированный пробег электронов составляет 3,2 мм для <Ее> = 2 МэВ и пренебрегая ионизационными потерями можно записать уравнение [10]:
1944Х 1п36335Х.» Я 1п 18 Я,
I I 5
где Я - расстояние от окна ускорителя до плоскости перемещения детектора (см): X, - некоторая эффективная толщина алюминия (см). При К = 0,2 м получаем X. = 10 мкм и подставляя в формулу (1), где t = г(Х + X,), Гд| = 2,7* 103 кг/м3, X - толщина слоя алюминия (0,1 мм) находим: ^¡^У * 14°.
При этом угол д - связан с рас-
стоянием от детектора до оси пучка г и расстоянием Я соотношением: ц - arctg г / RZ. Определение дозы облучения О образцов производилось в Международной системе, т.е. в Греях (Гр), где 1 Гр = 1 Дж / 1 кг.
Экспериментальная формула расчета дозы облучения имеет вид:
D =
dE_ ~dx
*r*j* 10J
где dE / 6х = 1,5 (эмпирическая величина), I - время облучения (с);] - плотность тока в данной плоскости облучения (мкА/ см2).
Результаты воздействия быстрых электронов на различные полимерные пленки обсуждаются в других работах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Перепечко И.И. Введение в физику полимеров. -М.: Химия. 1978. -312 с.
2. Регель В.Р.. Тамуж В.П. Разрушение и устойчивость полимеров и композитов. / Механика полимеров.-1977.-№3.-С. 458-478.
3. Нарисава И. Прочность полимерных материалов./ Перевод с японского. -М.: Химия, 1987. -400 с.
4. Каргин В.А. Слонимский Г.Л.
Краткие очерки по физико-химии полимеров. -М.: Химия, 1967. -231 с.
5. Чепель Л.В. Применение ускорителей электронов в радиационной химии. -М.: Атомиздат, 1975. -152 с.
6. ВайсбергС.Э. Обратимые радиационные эффекты в полимерах. // Радиационная химия полимеров. Под ред. В.А.Каргина. -М.: Наука, 1973. -С. 376-443.
7. Basic D., Stannett V.T. Theoretical consideration of scisson and endlinking reactionsin irradiated Polumers // Radiat. Phys and Chem. 1987. v.30, N3. P.183-187.
8. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. - М.: Энерго-атомиздат, 1983. -616 с.
9. Купчишин A.A., Купчишин А.И., Шмыгалева Т.А. Некоторые особенности расчета КВФ для электронов на различных мишенях. В сб.
Радиационные эффекты в твердых телах. -Алматы, 1999. -С. 20 - 22.
10. Боос Э.Г., Купчишин А.И. Решение физических задач каскад-но-вероятностным методом. Часть 2 - Алма-Ата, Наука Каз ССР, 1988. -144 с.
