СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИИ МАТЕРИАЛА НА ВНЕШНЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
METHOD OF DETERMINING REACTION OF MATERIAL TO EXTERNAL ACTION

Изобретение относится к области исследования физико-химического состояния материалов при изучении механизма воздействия внешних факторов и может быть использовано для контроля качества материалов при создании новых материалов, в том числе, на основе нанотехнологий.
Известен способ определения реакции полиэлектролитных комплексов полимеров на воздействие магнитным полем (издание «Доклады Академии наук СССР», т.300, №3, 1988) с помощью вискозиметрии путем определения ее вязкости. О реакции среды на воздействие магнитным полем судят по изменению ее вязкости после этого воздействия.
Недостатком способа является определение реакции среды по косвенному параметру - вязкости, что констатирует факт изменения, но не позволяет достоверно оценить характер и направленность изменений, произошедших в материале в результате внешнего воздействия.
Структура материалов определяет комплекс их эксплуатационных свойств, поэтому именно структурные методы позволяют непосредственно определять строение и превращения, протекающие в материалах. Это позволяет по данным микроанализа (частично и макроанализа) не только указать, в каком направлении изменяются эксплуатационные свойства при тех или иных изменениях в структуре, что особенно важно на стадии разработки, но и объяснить причины этих изменений, а также позволяет прогнозировать надежность изделий.
Заявляемый способ использует современную концепцию о надмолекулярной системной организации (НМО) твердых тел (Алесковский В.Б. Курс химии надмолекулярных соединений. Л., Изд. Ленинградского университета, 1990, - 284 с.). Теория базируется на том, что, говоря о структуре материалов, следует иметь в виду ее различные уровни, начиная от строения элементарной ячейки и завершая поликристаллической структурой со свойственной ей дефектностью в виде концентрационной неоднородности компонентов, включений, границ доменов, пор, трещин и т.д. При этом различные иерархические уровни материала взаимосвязаны. Очевидно, что для универсального и быстрого определения структурного состояния материала необходим критериальный параметр оценки и измерения.
Использование данной концепции дает принципиально новые возможности в оценке структур различных, с точки зрения материаловедения, сложных систем. Исходя из концепции НМО свойства закладываются на молекулярном, а реализуются на надмолекулярном уровне. Например, концентрационные дефекты, обусловленные отклонениями от заданного состава компонентов системы, закладывают гетерогенность надмолекулярной системной структуры (НМС). В свою очередь, разрыв сплошности происходит в наиболее слабых и перенапряженных областях, в частности, по границам структурных элементов или включений. То есть в конечном счете, дефектность, заложенная на уровне исходной смеси, проявляется на более высоких масштабных уровнях. Этот подход универсален как для твердых, так и для жидких тел.
Известен способ определения реакции материала, основанный на определении реакции структурных изменений кристаллических полимерных материалов на внешнее воздействие - магнитное поле (Механика полимеров, 1973, № 4, с.737). Способ состоит в определении влияния магнитного поля на НМС, например кристаллических полимеров. Влияние внешнего воздействия согласно этому способу оценивают визуально по изменению формы структурных элементов (сферолитов) до воздействия магнитным полем на образец и после воздействия магнитным полем. О влиянии внешнего воздействия на структуру судят по изменению ориентации сферолитов.
Недостатком известного способа является низкая точность, так как состояние материала оценивается лишь по одному частному параметру - форме структурного элемента, которая характеризует наиболее упорядоченную часть структуры материала и не отражает изменения аморфной составляющей материала. В то же время стойкость материала к разрушению в основном определяется аморфной составляющей материала.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в обеспечении большей точности определения реакции материала на внешнее воздействие. Разработанный способ позволяет повысить достоверность получаемой информации и обеспечить возможность ее количественной оценки.
Способ определения реакции материала на внешнее воздействие, основанный на анализе надмолекулярной структуры материала до и после внешнего воздействия, характеризуется тем, что при анализе надмолекулярной структуры материала измеряют ее морфологические и текстурные параметры, в качестве которых используют среднюю длину трещин и/или границ доменов, площадь поверхности объекта, занимаемую трещинами, средний угол отклонения трещин от направления к центру схождения трещин, фрактальную размерность, и по изменению равномерности распределения измеренных параметров оценивают состояние структуры материала как нестабильное, а при сохранении равномерности распределения параметров оценивают состояние структуры материала как стабильное.
1
2
1
2
1
2
Целесообразно судить о равномерности распределения параметров надмолекулярной структуры материала по коэффициенту I, рассчитываемому по формуле: I=(S/L)×1000+(D+10)×Т/2, где S - площадь, занятая трещинами, %, L - средняя длина трещин и/или границ доменов в микронах, D - средний угол отклонения трещин от направления к центру схождения трещин в радианах, Т - фрактальная размерность структуры, при этом реакцию материала на внешнее воздействие определяют по соотношению коэффициентов I и I до и после внешнего воздействия соответственно: при I≈I структура оценивается как стабильная, при I≠I структура оценивается как нестабильная.
т
Т
1
2
т
2
I
I
2
т
т
1
2
2
1
т
В ряде случаев для определения направленности процессов, происходящих при перестройке структуры, целесообразно использовать тестовый образец, при этом измеряют морфологические и текстурные параметры надмолекулярной структуры тестового образца, определяемые I, сравнивают I с I и I и судят об упорядочивании структуры при I≤I<I и при I<I≤1, а о разупорядочивании структуры судят при I≤I<I и при I<I<I.
На чертежах приведены фрактограммы полиметилметакрилата: на фиг.1 - до внешнего воздействия на нее электромагнитным излучением, на фиг.2 - после воздействия электромагнитным излучением частотой v=1 Гц, на фиг.3 - после воздействия электромагнитным излучением частотой v=10 Гц, на фиг.4 - фрактограмма тестового образца.
Предложенный подход к определению реакции основан на анализе НМС исследуемого материала, являющейся, как показано выше, наиболее информативной базой, характеризующей состояние структуры в силу особой чувствительности надмолекулярного уровня к внешним воздействиям. Это позволило развить известный подход. Было установлено, что на чувствительность НМС материалов к внешнему воздействию влияет дефектность, и, следовательно, определение равномерности распределения морфологических и текстурных параметров НМС позволяет оценить чувствительность структуры к внешнему воздействию.
Проведенные многочисленные эксперименты показывают, что для определения состояния НМС можно использовать среднюю длину L трещин и/или границ доменов в микронах, площадь S поверхности объекта, занимаемую трещинами в %, средний угол D отклонения трещин от направления к центру схождения трещин в радианах, фрактальную размерность Т. Равномерность распределения этих величин характеризует состояние НМС.
Для определения состояния НМС можно использовать основанный на оценке типа и характера НМС эмпирически полученный параметр I=(S/L)×1000+(D+10)×Т/2, физический смысл которого можно определить как обобщенный (интегральный) параметр состава материала в целом с учетом компонентов и стадий его формирования, характеризующий суммарную дефектность. Параметр I, по сути, является индексом упорядоченности НМС.
В соответствии с заявляемым способом, анализируя изменение морфологических и текстурных параметров НМС материала, по изменению равномерности распределения дефектов (индекса I упорядоченности) до и после внешнего воздействия оценивают стабильность структуры и тенденции структуры к ее изменению.
Возможности способа расширяются при использовании тестового образца. В качестве тестового образца выбирается материал, структура которого соответствует заданным параметрам.
т
т
2
I
I
2
т
т
1
2
2
1
т
Измеренные морфологические и текстурные параметры надмолекулярной структуры тестового образца, характеризуемые индексом I, позволяют определить реакцию материала на внешнее воздействие с определением происходящих при перестройке структуры процессов: либо процесса разупорядочивания (разрушения), либо процесса упорядочивания (самоорганизации). Об упорядочивании структуры судят при I≤I<I и при I<I≤I, а о разупорядочивании структуры - при I≤I<I и при I<I<I.
Отклонение распределения параметров НМС от характерного для тестового образца состояния структуры дает возможность оценить направленность процесса изменения структуры в сторону ее упорядочивания (самоорганизации) или разупорядочивания (разрушения).
Способ реализуют следующим образом.
1
1
1
1
1
На первом этапе реализации способа измеряют на поверхности материала среднюю длину L трещин и/или границ доменов в микронах, площадь S поверхности объекта, занимаемую трещинами в %, средний угол D отклонения трещин от направления к центру схождения трещин в радианах, фрактальную размерность Т. Пo измеренным параметрам вычисляют индекса I упорядоченности, характеризующий равномерность распределения измеренных параметров по вышеприведенной формуле
1
1
1
1
1
I=(S/L)×1000+(D+10)×Т/2.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
На втором этапе реализации способа материал подвергают внешнему воздействию и затем измеряют на поверхности объекта среднюю длину L трещин и/или границ доменов в микронах, площадь S поверхности объекта, занимаемую трещинами в %, средний угол D отклонения трещин от направления к центру схождения трещин в радианах, фрактальную размерность Т. По измеренным параметрам вычисляют I по формуле I=(S/L)×1000+(D+10)×Т/2.
1
2
1
2
1
2
При сравнении индексов I и I до и после воздействия определяют состояние структуры: при I≈I структура оценивается как стабильная, при I≠I структура оценивается как нестабильная.
Реализация способа поясняется на примере определения состояния структуры полиметилметакрилата как наиболее изученного в морфологическом плане модельном материале класса стеклообразных аморфных полимеров. Индексы I упорядочивания определяются по фрактограммам, полученным с помощью оптического микроскопа при увеличении ×125. Для проведения статистических исследований рассчитывают по трем измерениям среднеквадратичные отклонения S. Внешнее воздействие осуществляют облучением материала электромагнитным излучением с частотой 1 Гц (фиг.2) и 10 Гц (фиг.3).
1
2(1)
2(10)
Надмолекулярная структура полиметилметакрилата (фиг.1) до воздействия на нее электромагнитным излучением имеет I=442,67 (S=8,02), после воздействия на нее электромагнитным излучением частотой 1 Гц I=424.33(S=6,66), а после воздействия на нее электромагнитным излучением частотой 10 Гц I=410.67(S=2,08).
В обоих случаях наблюдается уменьшение индекса I упорядоченности, что говорит о процессе упорядочивания НМС структуры полиметилметакрилата, ее стабилизации. При этом электромагнитное излучение с частотой 10 Гц оказывает более значительное влияние на НМС, чем излучение с частотой 1 Гц. При воздействии на материал излучением с частотой 10 Гц повышается однородность и упорядоченность структуры образца в целом, т.е. меняется НМО образца.
T
т
т
2(1)
1
т
2(10)
1
На происходящие процессы упорядочивания показывает и результат сравнения индексов упорядочивания полиметилметакрилата до и после воздействия на нее электромагнитным излучением с индексом I тестового образца (I=396,21 и S=l,01): I≤I<I и I≤I<I.
Приведенный пример не ограничивает применение способа для определения реакции структуры материала только при воздействии на него электромагнитным полем с частотой 1 Гц и 10 Гц. В качестве воздействующего фактора может быть электромагнитное излучение другой частоты (КВЧ, СВЧ, ультрафиолетового, видимого и т.д.), акустические, электрические или магнитные поля, химическое, тепловое и механическое воздействие и т.д. Под внешним воздействием можно также понимать воздействие внешней среды на материалы и выполненные на их основе объекты техники, следствием чего является старение материалов и разрушение объектов техники.
Таким образом, определение значимых, с точки зрения чувствительности НМС к воздействию, структурно-морфологических параметров НМС системы; выбор в качестве характеризующего реакцию структуры на воздействие фактора равномерности распределения НМС; разработка количественного подхода к определению реакции структуры путем сравнения расчетных значений индексов I упорядоченности, принятых за критерий определения реакции системы на внешнее воздействие, позволяет повысить информационную достоверность способа при качественной оценке, а также количественно охарактеризовать реакцию и установить направленность процесса изменения структуры.