Способ определения реакции материала на внешнее воздействие

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. Способ основан на анализе надмолекулярной структуры материала до и после внешнего воздействия. 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 надмолекулярной структуры. По изменению равномерности распределения измеренных параметров оценивают состояние структуры материала как нестабильное, а при сохранении равномерности распределения параметров оценивают состояние структуры материала как стабильное. Для определения направленности процессов, происходящих при перестройке структуры, используют тестовый образец, измеряют морфологические и текстурные параметры его надмолекулярной структуры, сравнивают их с морфологическими и текстурными параметрами анализируемого материала до и после внешнего воздействия и судят об упорядочивании или о разупорядочивании структуры. Технический результат - обеспечение большей точности определения реакции материала на внешнее воздействие, повышение достоверности получаемой информации и обеспечение возможности ее количественной оценки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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.

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 I₁ и I₂ до и после внешнего воздействия соответственно: при I₁≈I₂ структура оценивается как стабильная, при I₁≠I₂ структура оценивается как нестабильная.

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_т, сравнивают I_Т с I₁ и I₂ и судят об упорядочивании структуры при I_т≤I₂<I_I и при I_I<I₂≤1_т, а о разупорядочивании структуры судят при I_т≤I₁<I₂ и при I₂<I₁<I_т.

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.

Измеренные морфологические и текстурные параметры надмолекулярной структуры тестового образца, характеризуемые индексом I_т, 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_т≤I₂<I_I и при I_I<I₂≤I_т, а о разупорядочивании структуры - при I_т≤I₁<I₂ и при I₂<I₁<I_т.

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.

На первом этапе реализации способа измеряют на поверхности материала среднюю длину L₁ трещин и/или границ доменов в микронах, площадь S₁ поверхности объекта, занимаемую трещинами в %, средний угол D₁ отклонения трещин от направления к центру схождения трещин в радианах, фрактальную размерность Т₁. Пo измеренным параметрам вычисляют индекса I₁ упорядоченности, характеризующий равномерность распределения измеренных параметров по вышеприведенной формуле

I₁=(S₁/L₁)×1000+(D₁+10)×Т₁/2.

На втором этапе реализации способа материал подвергают внешнему воздействию и затем измеряют на поверхности объекта среднюю длину L₂ трещин и/или границ доменов в микронах, площадь S₂ поверхности объекта, занимаемую трещинами в %, средний угол D₂ отклонения трещин от направления к центру схождения трещин в радианах, фрактальную размерность Т₂. По измеренным параметрам вычисляют I₂ по формуле I₂=(S₂/L₂)×1000+(D₂+10)×Т₂/2.

При сравнении индексов I₁ и I₂ до и после воздействия определяют состояние структуры: при I₁≈I₂ структура оценивается как стабильная, при I₁≠I₂ 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).

Надмолекулярная структура полиметилметакрилата (фиг.1) до воздействия на нее электромагнитным излучением имеет I₁=442,67 (S=8,02), после воздействия на нее электромагнитным излучением частотой 1 Гц I₂₍₁₎=424.33(S=6,66), а после воздействия на нее электромагнитным излучением частотой 10 Гц I₂₍₁₀₎=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.

На происходящие процессы упорядочивания показывает и результат сравнения индексов упорядочивания полиметилметакрилата до и после воздействия на нее электромагнитным излучением с индексом I_T тестового образца (I_т=396,21 и S=l,01): I_т≤I₂₍₁₎<I₁ и I_т≤I₂₍₁₀₎<I₁.

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.

1. Способ определения реакции материала на внешнее воздействие, основанное на анализе надмолекулярной структуры материала до и после внешнего воздействия, отличающийся 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 надмолекулярной структуры, 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что о равномерности распределения параметров судят по коэффициенту I, рассчитываемому по формуле: I=(S/L)·1000+(D+10)·T/2, где S - площадь, занятая трещинами, %, L - средняя длина трещин и/или границ доменов, мкм, D - средний угол отклонения трещин от направления к центру схождения трещин, рад, Т - фрактальная размерность структуры, при этом о реакции материала на внешнее воздействие судят по коэффициенту K=I₁/I₂,
где I₁ и I₂ характеризуют надмолекулярную структуру материала до и после внешнего воздействия соответственно, и при К, отличном от 1, судят о нестабильности структуры, а при К, близком к 1, - о стабильности структуры.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют тестовый образец, измеряют морфологические и текстурные параметры надмолекулярной структуры тестового образца, определяемые I_T, сравнивают I_T с I₁ и I₂ и судят об упорядочивании структуры при I_T≤I₂<I₁ и при I₁<I₂≤I_T, а о разупорядочивании структуры судят
при I_T≤I₁<I₂ и при I₂<I₁<I_T.