CC BY
17
86
Физико-математические науки
УДК 539.3
влияние лазерного облучения
на процессы диэлектрической релаксации полиметилметакрелита
Кунижев Б. И., профессор кафедры теоретической физики, ФГБОУ ВПО "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
Кушхатлоков С. Л., студент физического факультета, ФГБОУ ВПО "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова", г. Нальчик
Кадыкоева М. Х., студентка физического факультета, ФГБОУ ВПО "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова", г. Нальчик
В работе исследовано влияние импульсного лазерного воздействия на диэлектрические и релаксационные свойства полиметилметакрилата. Установлено, что лазерная обработка приводит к существенным изменениям диэлектрических параметров s' и tg 6 ПММА в температурном диапазоне 170-420 K при чистоте 50 кГц. Ключевые слова: лазерное излучение, релаксационные переходы, полиметилметакрилат, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, полимерные материалы.
THE INFLUENCE OF LASER IRRADIATION
ON THE DIELECTRIC RELAXATION PROCESSES POLYMETHYL
OF METACRILATE
Kunizhev B. I., professor of theoretical physics, FSBEIHPE "Kabardino-Balkarian State University after H. M. Berbekov", city of Nalchik
Tsechoeva A. H., candidate of technical sciences, head of the Department of mechanical engineering, associate professor, Ingush State University, city of Nazran
Kushhatlokov S. L., student of physical faculty, FSBEI HPE "Kabardino-Balkarian State University after H. M. Berbekov", city of Nalchik
Kadykoeva M. H., student of physical faculty, FSBEI HPE "Kabardino-Balkarian State University after H. M. Berbekov", city of Nalchik
The influence of impulsive laser impact on the dielectric and relaxational properties of polymethylmediarelate is investigated in the work. It is set that laser processing provides essential changes of dielectric parameters s' and tg6 PMMA in the temperature range 170-420 K with a freguency 50 kHz.
Key words: laser radiation, relaxational transitions, polimethylmethacrilate, dielectric transmittivity, dielectric waste.
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, 1д 6 в зависимости от частоты внешнего поля, дозы лазерного облучения, температуры и времени исследовались
высокочувствительным методом - методом диэлектрических потерь.
В качестве объекта исследования использовался полиметилметакрилат, линейный термопластический полимер, который является технологичным, высокомолекулярным соединением и как конструкционный материал применяется в самых различных областях народного хозяйства.
Образцы освещались неполяризованным лазерным излучением с длиной волны -511 нм.
б. и. кунижв, д х цечоевд с. л. кушхдтлоков, м. х кддыкоевд
87
Рис. 1. Зависимость в от Тдля ПММА при частоте 50 кГц: 1 - исходный, 2 - через 30 часов, 3 - через 1,5 • 102 часов после облучения. 1имп = 5 кВт/см2
Лазерные импульсы, следовавшие с частотой 8,0 кГц, имеющие длительность порядка 25 не облучали поверхность полимера 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 импульсе у поверхности ПММА изменялась от 3,0 до 9 кВт/см2.
Хотя интенсивность лазерного излучения в импульсе достигало максимального значения (~9 кВт/см2), в наших экспериментах лазерное облучение не достигало порога разрушения, наблюдаемого визуально, так как исследованный нами материал прозрачный и длина волны 511 нм лежит в оптическом диапазоне. Но по ряду причин в веществе при таком воздействии могут возникать скрытые изменения. Как оказалось, вследствие лазерного облучения диэлектрические параметры исследованных образцов существенно меняются.
На рисунке 1 представлены зависимости в для ПММА при частоте 50 кГц: исходного - кривая 1, по истечении 30 часов после облучения - кривая 2 и двух месяцев (1,5 • 103 часов) - кривая 3.
После облучения диэлектрическая проницаемость полиметилметакрилата в температурной области от 170 до 270 К возрастает в 1,2-1,5 раза, при дальнейшем увеличении температуры диэлектрическая проницаемость облученного ПММА линейно возрастает, достигая трехкратного увеличения по отношению к значению в
-1-1-—_1_I_I_1_ I I
170 200 230 260 290 320 350 38 410440 Т, К
Рис. 2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для ПММА при частоте 50 кГц: 1 - исходный, 2 - через 30 часов, 3 - спустя 1,5 • 102 часов после облучения. 1имп = 5 кВт/см2
исходного ПММА при данной температуре (кривая - 2, рис. 1).
По истечение двух месяцев после лазерного облучения (кривая - 3, рис. 1) диэлектрическая проницаемость изученных образцов полиметилметакрилата под действием релаксационных процессов при температурах от 170 до 200 К уменьшается до значений е'~ 4 исходного необ-лученного ПММА. А в температурной области от 200 до 410 К диэлектрическая проницаемость имеет значение е'~ 5,0, что выше на 30 % в исходного образца. По видимому, это значение соответствует новому равновесному состоянию ПММА, обработанного лазерным импульсом.
На рисунке 2 представлены зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для ПММА при частоте 50 кГц (исходного -кривая 1, по истечение 30 часов после облучения -кривая 2 и двух месяцев (1,5 • 103 ч) - кривая 3), Г«п = 5 кВт/см2.
Отсюда видно, что лазерное воздействие приводит к возрастанию диэлектрических потерь ПММА во всем температурном диапазоне (кривая - 2, рис. 2). Следует отметить, что при этом первые два максимума исчезают, сливаются вместе, а а - релаксационный процесс проявляется в той же температурной области, что для исходного необлученного образца ПММА. По истечении 1500 часов после облучения, значения 5 немного уменьшаются по сравнению со значениями 1д 5 образцов ПММА, измеренных по происшествии 30 часов, и не релаксируют к значениям tg 5,
1 • 2015 • НАУЧНЫЕ ИЗВЕСТИЯ
88
влияние лазерного облучения на процессы диэлектрической релаксации полиметилметакрелита
соответствующим исходным образцам ПММА. Помимо этого, не проявляется в максимум, а а максимумы смещаются в область более низких температур на 15-20 К и проявляются как один релаксационный максимум.
Таким образом, можно сделать вывод, что обработка ПММА лазерным импульсом приводит к существенным изменениям диэлектрических параметров е и д 6, измеренных при частоте 50 кГц в температурном диапазоне от 170 до 420 К.
К вышеприведенным значениям е и 1д6 образцов полиметилметакрилата, подвергнутых лазерному облучению и соответствующих новому равновесному состоянию ПММА (снятых по истечение 1500 часов после облучения) и заметно отличающихся от подобных свойств исходного ПММА могут привести различные механизмы поглощения энергии лазерного излучения прозрачными твердыми телами. Среди них отметим собственные механизмы, связанные со свойствами самой полимерной матрицы (ударная и многофотонная ионизация), и механизмы, обусловленные поглощающими включениями (термоупругими, теплового взрыва, фотоионизационными) [1].
Изменения физических свойств, возникающие в прозрачных полимерах под действием лазерного облучения можно разделить на две группы. Первая группа - это изменения, возникающие в идеально чистых средах, вторая группа - изменения, обусловленные примесями. Мы считаем, что обнаруженный нами экспериментальным путем невозврат значений е' и 1д6 ПММА во всем исследованном температурно-частотном интервале к исходным значениям е и 1д 6, связано с несобственными механизмами поглощения лазерного излучения в исследованной области на-носекундного диапазона лазерного воздействия. Такое объяснение обнаруженных фактов хорошо согласуется с данными А. А. Маненкова и В. С. Не-читайло [2]. Не следует исключать и влияние
релаксационных процессов, имеющих времена релаксации,близкие к значениям длительности лазерного воздействия.
В местах расположения инородных примесей, микротрещин и микропор происходит интенсивное поглощение лазерного излучения, что приводит к перегреву полиметилметакрилата в этих местах. Микропоры и микротрещины могут заполняться частично или полностью, в зависимости от энергии лазерного излучения, газами различного химического состава.
В работе [3] показано, что при лазерном воздействии на ПММА в наносекундном диапазоне и при мощностях, близких к условиям наших экспериментов, приводятся данные о химическом составе газа, заполняющего внутреннюю полость трещин, образовавшихся при лазерном разрушении полиметилметакрилата. Оказалось, что состав газа не зависит от длины волны и интенсивности лазерного импульса. В продуктах лазерного пиролиза ПММА обнаруживаются более тяжелые углеводороды предельного (С2Н6, С3Н8, С4Н10) и непредельного рядов (С2Н4, С3Н6).
выводы
Исследованы температурные зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ПММА при частоте 50 кГц и эти же зависимости по истечении 30 часов и двух месяцев после облучения. Установлено, что по истечение двух месяцев после лазерного облучения диэлектрическая проницаемость образцов ПММА под действием релаксационных процессов при температурах 170+200 К уменьшается до значений е'~ 4 исходного не-облученного ПММА, а в температурной области 200+420 К диэлектрическая проницаемость имеет значение е'~ 5,0, что выше на 30 % е' исходного образца. Значения 1д6 также не релаксируют к значениям 1д6, соответствующим исходным образцам ПММА.
ЛИТЕРАТУРА
1. Савинцев А . П., Темроков А . И. Воздействие им-пульсно-периодического лазерного излучения на по-ливинилхлорид // Теплофизика высоких температур. -2002. - Т. 40. - № 4. - С. 559-562.
2. Маненков А. А., Нечитайло В. С. // Квантовая электроника. - 1980. - Т. 5. - С. 616-619.
3. Бутенин А . В ., Коган Б . Д . // Квантовая электроника. - 1986. - Т. 13. - С. 2149-2151.
