CC BY
20
Физико-математические науки
7
УДК 539
МЕХАНИЗМ КРАТЕРООБРАЗОВАНИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА ПРИ ДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Кунижев Б.И., доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики (КТФ),
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик Куготова А.М., кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры физики конденсированного состояния,
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик E-mail: [email protected]
Гайтукиева З.Х., кандидат физико-математических наук, доцент, Ингушский государственный университет, г. Назрань Кумышев М.А., аспирант,
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик Шомахова А.Ж., магистрант,
ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик E-mail: [email protected] Тхашугоева О.М., магистрант,
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», г. Нальчик
В работе показано, что при импульсном лазерном воздействии в мишени из полиметилметакрилата образуются осесимметричные области, имеющие одинаковые значения плотности и температуры. Значения температуры в различных областях мишени оценивались теоретически по значениям функции Грюнайзена и степени сжатия. Обнаружено также, что при поглощении лазерного излучения материалом мишени толщиной 1 мм в полиметилметакрилате происходят изменения структурной морфологии, которые фиксируются на рентгеновских дифрактограммах.
Ключевые слова: полиэтилен, полиметилметакрилат, функция Грюнайзена, лазерное излучение, плотность, температура.
THE MECHANISM OF CRATER FORMATION AND CHANGE OF POLYMETHYLMETHACRYLATESTRUCTURE IN CASE OF THE ACTION OF LASER RADIATION
Kunizhev B.I., doctor of physical and mathematical sciences, professor of theoretical physics, FSBEI HE «Kabardino-Balkarian state university after H.M. Berbekov», dty of Nalchic Kugotova A.M., сandidate of physical and mathematical sciences, senior lecturer, department of condensed matter physics,
FSBEI HE «Kabardino-Balkarian state university after H.M. Berbekov», dty of Nalchic, E-mail: [email protected]
Gaytukieva Z.H., сandidate of physical and mathematical sciences, assistant professor, Ingush state university, city of Nazran Kumyshev M.A., postgraduate student,
FSBEI HE «Kabardino-Balkarian state university after H.M. Berbekov», dty of Nalchic Shomahova A.J., undergraduate,
FSBEI HE «Kabardino-Balkarian state university after H.M. Berbekov», dty of Nalchic; Thashugoeva O.M., undergraduate,
FSBEI HE «Kabardino-Balkarian state university after H.M. Berbekov», dty of Nalchic
Б.И. КУНИЖЕВ, А.М. КУГОТОВА, З.Х. ГАЙТУКИЕВА, М.А КУМЫШЕВ, АЖ. ШОМАХОВА, О.М. ТХАШУГОЕВА
It is shown in this work that in case of pulsed laserirradiation in a target the axisymmetric areas having identical values of density and temperature are formed of polymethylmethacrylate. Values of temperature in various areas of the target were estimated theoretically on values of Gryunaezer's function and extent of compressions. It is revealed also that the absorption of laser radiation by the target material with a thickness of 1 mollimeter in polymethylmethacrylate changes the structural morphology, which are fixed on the x-ray diffractogramme.
Key words: polyethylene, polymethylmethacrylate, Gryunayzer's function, laser radiation, density, temperature.
В зависимости от скорости импульсного воздействия и структуры вещества, приложенные силовые и тепловые нагрузки вызывают существенные структурные изменения в полимерных материалах [1-3]. В настоящее время свойства многих веществ (ионные кристаллы, металлы) подробно исследованы в экстремальных условиях, результаты которых служат основой для построения диаграмм состояния и ударных адиабат конкретных тел. Менее изучены высокомолекулярные соединения, обладающие уникальными физическими свойствами и имеющие сложные фазовые диаграммы. Структурные формулы полимеров сложны и вызывают большие затруднения при расчете их термодинамических свойств в экстремальных условиях методами квантовой статистики [1-3]. К этим веществам относится по-лиметилметакрилат (ПММА), который является одним из самых технологичных полимеров, и как конструкционный материал широко используется в нанотехнологии, при проведении взрывных испытаний, решении проблем управляемого термоядерного синтеза и в медицине, в частности, офтальмологии.
Поэтому настоящая работа посвящена актуальной проблеме физики высоких плотностей энергии - исследованию влияния импульсного лазерного излучения на механизмы кратерообразования и изменения структуры ПММА.
При исследовании влияния лазерного излучения (ЛИ) на ПММА использовался рубиновый лазер с длиной волны X = 0,69 мкм, длительностью импульса т = 1,2 мс, диаметр пятна 2 мм (рис. 1). Поглощенную образцом энергию лазерного импульса рассчитывали по уравнению
Е„ =aIrS,
(1)
где а - коэффициент поглощения лазерного излучения; I - плотность мощности на облучае-
мой поверхности; т - длительность лазерного импульса; 5 - площадь пятна облучения. Степень сжатия х материала мишени определялась по значениям плотности р в областях III, IV, V по формуле
х =
(2)
Ро
где р0 - начальная плотность ПММА.
Затем по уравнению (3) вычислялись температуры этих областей.
Т = Т0-х
гМ
(3)
где Т0 - 300 К; у(х) - функция Грюнайзена.
Значения функции Грюнайзена, соответствующие этим областям оценивались по уравнению
rW=f
2х
2х -
1 +
Го
+ -
2 Р
ОХ
кп
(4)
где у0 =
ß-с2
, ß - коэффициент теплового
расширения материала, с - скорость звука, с - удельная теплоемкость при постоянном
^ 2 1
объеме; К0=с--- адиабатический объемный модуль сжатия материала; Р0х - холодная составляющая давлении. А.М. Молодец получил единую аналитическую формулу (4) для функции Грюнайзена безотносительно к свойствам конкретного материала [4].
Вычисленные по уравнению (3) значения температуры T и определенные экспериментально значения плотности р ПММА соответствующие областям мишени III, IV, V при длительности ла-
МЕХАНИЗМ КРАТЕРООБРАЗОВАНИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА ПРИ ДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
\ \ Тз < Т2 < Ti III V / IV / / / / ^7/ / Ti > Т2 > Т3 ^ г\т
Рис. 1. Схематическое изображение процесса кратерообразования в ПММА толщиной 1 • 10-3 м и E0 = 10 Дж.
I - лицевой, II - тыльный отколы, области свечения образцы с одинаковыми температурами. T1 = 380 K (III), T2 = 360 K (IV); T3 = 330 К (V) и одинаковыми плотностями: р1 = 1,16 г/см3 (III), р2 = 1,18 г/см3 (IV),
р3 = 1,21 г/см3 (V)
зерного импульса т = 100 мс представлены также на рис. 1.
На рисунке 1 изображена схематическая картина профилей кратеров (лицевого I и тыльного II) и областей мишени, имеющих одинаковые плотности р и температуры Т(области III, IV и V).
При действии лазерного излучения на мишень из ПММА толщиной 1 мм кратеры образовались как на передней (область I) - лицевой откол, так и на задней стороне (область II) - тыльный откол. Механизм образования лицевого откола в мишени из полиметилметакрилата при высокоскоростном воздействии ударника из полиэтилена и его сравнение с картиной разрушения такой же мишени при действии лазерного импульса с той же энергией подробно описан в работах [2, 3]. Отсюда можно сделать вывод, что в наших экспериментах, образование каверн (областей I и II) в ПММА происходит за счет хрупко-пластического разрушения. Отметим, что сим-батный рост областей I и II в образце с толщиной 1 мм продолжается только до первых 100 мкс с момента начала воздействия на образец лазерного излучения. До этих времен сохраняются области равной плотности и температуры вещества (области III, IV и V). Они имели радиальный характер, а в осевом направлении практически их размеры не изменялись. При больших временах картина кратерообразования имеет трехмерный
характер и области каверн (I) и (II) уже меняются совершенно по-разному.
Для определения структурных изменений, происходящих в ПММА под действием лазерного облучения, исследовались рентгенограммы, полученные на дифрактометре ДРОН - 2,0. На рисунке 2 представлены дифрактограммы некоторых образцов ПММА, где видно отчетливое гало в области углов дифракции Ф = 20 = 12-18 ° и более размытое гало на углах Ф = 28-35
Оказалось, что при поглощении лазерного излучения материалом мишени с толщиной 1мм, в ПММА происходят изменения структурной морфологии, которые фиксируются на рентгеновских дифрактограммах.
Из рисунка 2 (кривая 2) видно, что для мишени с толщиной 1 мм, при Еа = 10 Дж у облученных образцов ПММА появляются хорошо выраженные
Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы образца ПММА толщиной 1 мм до (!) и после (2) лазерного облучения с энергией Е = 10 Дж
Б.И. КУНИЖЕВ, А.М. КУГОТОВА ЗХ ГАЙТУКИЕВА МА КУМЫШЕВ, АЖ ШОМАХОВА О.М. ТХАШУГОЕВА
селективные рефлексы полушириной й = 0,20, что свидетельствует о возникновении в ПММА под действием лазерного излучения областей с локальным макромолекулярным упорядочением. Предполагается, что при таких условиях в ПММА образуются области, состоящие из вытянутых
участков макромолекул, расположенных в параллельных плоскостях. При толщинах образцов ПММА 1 > 3 мм и больших значениях Еа > 10 Дж, рефлексы, соответствующие структурным упорядочениям в мишени из ПММА на дифрактограм-мах не наблюдались.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГударенкоЛ.Ф.,Жерноклетов М.В., Фортов В.Е. Экспериментальное исследование свойств ударно-сжатого карбогала и оргстекла // Физика горения и взрыва. - 2004. - Т. 40. - № 3. - С. 104-117.
2. Костин В.В., Кунижев Б.И., КрасюкИ.К., Темроков А.И., Фортов В.Е. Исследование ударно-волновых и деструкционных процессов при высокоскоростном ударе и лазерном воздействии на мишень из органического материала // ТВТ. - 1997. - Т. 33. - № 6. - С. 962-967.
3. Кунижев Б.И., Костин В.В., Сучков А.С., Темроков А.И. Динамическое разрушение полиметилметакрилата при ударе // ЖТФ. - 1995. - Т. 65. - Вып. 7. - С. 176-179.
4. Молодец А.М. Обобщенная функция Грюнайзена для конденсированных сред // Физика горения и взрыва. - 1995. - Т. 31. - № 5. - С. 132, 133.
