Внутреннее трение в кварцевом стекле при умеренных температурах

УДК 539.67:621.315.592

ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ В КВАРЦЕВОМ СТЕКЛЕ ПРИ УМЕРЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Б. С. Лунин, С. Н. Торбин

В работе приведены результаты исследования акустической добротности полусферического резонатора на частоте 8,4 кГц в диапазоне температур от -80 до 300°. Максимум акустической добротности (5,6-107) достигается при температуре 105°.

Исследованию процессов внутреннего трения в кварцевых стеклах посвящено большое количество работ [16]. Наиболее подробно внутреннее трение изучали при низких температурах, когда оно определяется в основном структурной релаксацией - явлением, характерным для стеклообразного состояния. Значительно менее изучены природа и механизмы внутреннего трения при умеренных температурах (от -100 до 300°), хотя эта температурная область является рабочей зоной для большинства современных приборов, использующих механические резонаторы из кварцевого стекла (авионика, элементы гравитационных антенн и т. д.), и поэтому с прикладной точки зрения представляет наибольший интерес [7]. Установление факторов, определяющих в этих условиях акустическую добротность таких резонаторов, позволяет прогнозировать характеристики оборудования, а также усовершенствовать технологические процессы при его изготовлении.

Кроме того исследование механизма акустических потерь при умеренных температурах может дать информацию о состоянии поверхности стекла и характере структурных дефектов материала, что представляет фундаментальный научный интерес.

Цель данной работы состояла в экспериментальном исследовании внутреннего трения в чистом кварцевом стекле КУ-1 в интервале температур от -80 до 300°. Данный сорт кварцевого стекла (тип III [8]) изготавливается путем гидролиза тетрахлорида кремния в водородно-кислородном пламени и характеризуется высокой химической чистотой (суммарная концентрация примесей, кроме ОН-групп, ~10 ммоль), отсутствием мелкозернистой неоднородности и значительным содержанием гидроксильных групп (около 1000 ммоль).

2

Рис. 1. Конструкция полусферического резонатора.

( /

\.......... Р^Г--5 \ \^ *

-*—// г 1

1 V Ч 1

Рис. 2. Конструкция измерительной ячейки

В эксперименте мы исследовали акустическую добротность полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа, изготовленного из этого стекла миас-ским научно-производственным предприятием «Меди-кон». Конструктивно полусферический резонатор (рис. 1) представляет собой тонкостенную (толщина около 1 мм) полусферическую оболочку 1 диаметром 30 мм с крепежной ножкой 2, проходящей через полюс полусферы [9]. Благодаря высокой массовой сбалансированности потери энергии упругих колебаний через крепежную ножку практически отсутствуют, что делает такой резонатор чрезвычайно удобным для проведения акустических измерений, а высокое соотношение поверхность/объем позволяет исследовать не только акустические свойства самого кварцевого стекла, но и влияние поверхности на диссипа-ционный процесс. Частота изгибных колебаний оболочки определяется модой колебаний: в наших опытах использовалась 2-я, низшая мода колебаний (~8,4 кГц).

Методика эксперимента была аналогична описанной в [10]. Эксперимент проводили в вакуумной термокамере (рис. 2). Полусферический резонатор 1 устанавливался в конусное отверстие подставки 2. На этой подставке расположены две пары электродов 3 и 4, предназначенных для возбуждения и измерения изгибных колебаний полусферической оболочки. Термопара 5 (медь-константан) позволяет измерять температуру поверхности резонатора. Вся конструкция размещается внутри кварцевой вакуумной камеры 6, снаружи камеры устанавливается электронагреватель или холодильник, охлаждаемый жидким азотом (7). На резонансной частоте / возбуждались изгибные колебания оболочки с амплитудой около 0,1 мкм, затем с помощью емкостного датчика, образованного парой электродов 4, измерялось время затухания свободных колебаний т.

Акустическую добротность (0 резонатора определяют по формуле 0 = к-т/ Точность определения т (и соответ-

11 ВМУ, Химия, № 2

--1-1-1--1-1-1-'-"1-

-100 О 100 200 300 Температура,0 С

Рис. 3. Добротность полусферического резонатора в диапазоне температур от -80 до 300°

ственно Q) составляла около 3%. Температура резонатора рассчитывалась по его резонансной частоте на основании предварительно измеренной температурно-частотной ха-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Anderson O.L., Bommel H.E.II J. Amer. Ceram. Soc. 1955. 38.

Р. 125.

2. Fine M.E., Duyne H.V., Kenney N.T. II J. Applied Physics. 1954.

25. Р. 402.

3. Marx J.W., Sivertsen J.M. II J. Ap. Phys. 1953. 24. Р. 81.

4. Anderson W.P., Halperin B.I., Varma C.M. II Phyl. Mag. 25.

1972. Р. 1.

5. Hunklinger S., Arnold W., Stein St., Nava R., Dransfeld K. II

Phys. Let. 1972. 42A. Р. 253.

6. Fraser D.B. IIJ. Ap. Phys. 1970. 41. Р. 6.

7. Startin W.J., Beilby M.A., Saulson P.R. IIRev. Scientific

Instruments. 1998. 69. Р. 3681.

рактеристики резонатора. Точность определения температуры при этом составляла около 3°. Перед измерениями резонатор подвергался специальной химической обработке для удаления нарушенного поверхностного слоя, возникающего в процессе изготовления резонатора, а также термообработке для удаления атмосферной воды, сорбированной поверхностью [11].

На рис. 3 показаны полученные экспериментальные значения акустической добротности. Хорошо видно, что максимум акустической добротности достигается при температуре 105° и составляет 5,6-107. Рост внутреннего трения при более низких температурах связан, очевидно, с процессом структурной релаксации, это высокотемпературное крыло пика внутреннего трения с максимумом при температуре около 50 К. Природа потерь внутреннего трения справа от максимума добротности неочевидна. Здесь влияющими факторами могут быть примеси, поверхностные и объемные структурные дефекты, структурная вода, а также высокотемпературный фон. Эта область продолжает оставаться объектом дальнейших исследований.

Авторы выражают благодарность Б. П. Бодунову, директору НПП «Медикон» (Миасс), за предоставленный для исследований полусферический резонатор.

8. Bruckner R. //J. Non-Cryst. Solids. 1970. 5. Р. 123.

9. Bodunov B.P., Lopatin V.M., Lunin B.S. // 2nd Saint Petersburg

International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, May 24-25, 1995. Saint Petersburg, 1995, part II, Р. 89.

10. Lunin B.S., Torbin S.N., Danchevskaya M.N., Batov I. V. // Moscow University Chemistry Bulletin. 1994. 49. Р. 19.

11. Lunin B.S., Torbin S.N., Smirnov V.N. //XVIII International Congress on Glass, July 5-10, 1998, San Francisco, Proceeding, D3. Р. 36.

Поступила в редакцию 19.01.99