3815

3

УДК 519.876 Ф50

Матвеев Н.Н. Поляризационные эффекты в кристаллизующихся полимерах [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния / Н.Н. Матвеев, Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, В.В. Саушкин; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2020. – 18 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводится содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы аспирантов по всем видам работ, предусмотренных учебным планом.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 2. Ил. 3. Библиогр.: 5 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: заведующий кафедрой общей физики ВГУ, доктор физ.-мат. наук, профессор Клинских А.Ф.

Ответственный редактор: Камалова Н.С.

Коллектив авторов, 2020

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2020

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Поляризационные эффекты в кристаллизующихся полимерах – дисциплина, формирующая у слушателей базу фундаментальных знаний и умений

вобласти современных способов экспериментального исследования поляризационных эффектов в полимерах и полимерных композитах искусственного и природного происхождения, которые могут быть использованы, например,

вкачестве материалов для преобразователей тепловой энергии в электрическую. Поскольку проблемы рекуперации тепловой энергии никогда не потеряют своей актуальности, то интерес к этим материалам будет только увеличиваться. Освоение дисциплины необходимо исследователям и новаторам, работающим в области физики конденсированного состояния.

Большая часть деятельности аспиранта проходит в форме самостоятельной работы:

1)проработка лекций;

2)отработка практических навыков;

3)применение полученных умений в исследовательской работе. Основная цель данных методических указаний – помочь аспирантам

сориентироваться в обширном информационном материале дисциплины для формирования необходимых навыков в области методов исследования полимеров искусственного и природного происхождения, моделирования процессов кинетики и динамики их микроструктуры и оценки влияния неоднородного температурного поля на процессы их плавления и кристаллизации.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Поляризационные эффекты в кристаллизующихся полимерах» является получение аспирантами фундаментальных знаний о современных способах экспериментального исследования поляризационных эффектов в полимерах и полимерных композитах искусственного и природного происхождения и формирование современных систематизированных представлений о физических моделях в области изучения высокомолекулярных материалов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

–изучение современных модельных представлений о поляризационных явлениях в полимерах при различных внешних воздействиях;

–овладение фундаментальными понятиями, законами и теориями поляризации полимеров;

–ознакомление с основными методами физического исследования поляризационных эффектов в сложных системах;

–формирование научного мировоззрения и представлений о фундаментальных основах современных технологий в области синтетических пластиков и высокомолекулярных соединений;

–овладение навыками проведения физического эксперимента с полимерными материалами.

В результате освоения дисциплины аспирант должен:

–знать: физические основы современных методов исследования сложных полимерных композитов, их преимущества и недостатки;

–уметь: использовать современную исследовательскую аппаратуру для проведения эксперимента при исследовании сложных полимерных композитов;

–владеть: навыками формализованного моделирования композитов искусственного и природного происхождения, выделения конкретного физического содержания в прикладных задачах современных технологий на микроуровне.

7

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Введение. Появление полимеров. Актуальность физики полимеров на современном этапе развития технологий. Элементы теории твердого тела, физики жидкого состояния. Полимеры и их классификация. Различные типы структур полимеров.

Раздел 2. СТРУКТУРА И ФИЗИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Строение полимерных цепей. Конформации и конфигурации. Термодинамическая и кинетическая гибкости цепей. Метод «упаковки». Надмолекулярные структуры полимеров. Классификация физических состояний. Полимеры в различных физических состояниях. Структура кристаллических полимеров. Жидкокристаллические структуры полимеров. Рост кристаллов в полимерах. Влияние степени кристалличности на температуру декристаллизации полимеров. Стеклование структурное и механическое. Оценка температуры стеклования статистических сополимеров и гомогенных смесей полимеров.

Раздел 3. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ПОЛИМЕРАХ

Фаза и фазовый переход. Химический потенциал. Условие равновесия фаз. Многокомпонентные системы. Правило фаз. Фазовые переходы первого и второго рода. Особенности кристаллизации полимеров. Термодинамический потенциал фаз. Уравнение Клапейрона-Клаузиса. Модель точечных явлений. Феноменология фазовых переходов. Влияние конформационных особенностей строения макромолекулы на фазовые превращения в полимерах на примере полидиметилсилоксана. Кристаллизация низкомолекулярных органосилаксанов.

Раздел 4. ТЕРМОПОЛЯРИЗАЦИЯ И ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Макроскопическая поляризованность. Первичный пироэлектрический эффект. Вторичный пироэлектрический эффект. Феноменологическая теория пироэлектричества. Коэффициент полного пироэлектрического эффекта. Электрокалорический эффект. Механизм возникновения линейного пироэффекта в молекулярных кристаллах органических низкомолекулярных соединений. Пироэлектрические характеристики некоторых низкомолекулярных соединений. Пироэлектрический эффект в полимерах на примере поливинилиденфторида (ПВДФ). Механизм дипольной ориентации и пирроэлектрический эффект в полярных полимерах. Инжекция зарядов на поверхности диэлектрика. Гомозаряды и гетерозаряды. Пироэлектрический эффект в неполярных полимерах на примере политетрафторэтилена (ПТФЭ). Тензор деформации. Тензор термополяризационных коэффициентов. Тензор коэффициентов теплового расширения. Неравновесность фононной системы кристаллов, возникающей под действием градиента температуры. Особенности методов исследования термополяризационного и пироэлектрического эффектов.

8

Раздел 5. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПОЛИМЕРАХ В ОБЛАСТИ ПЕРЕХОДОВ КРИСТАЛЛ-РАСПЛАВ

Полимерные пироэлектрики. Основное уравнение поляризационного эффекта одномерной зарядовой цепочки в неоднородном температурном поле. Коэффициент поляризации при кристаллизации полимерного пироэлектрика в неоднородном температурном поле. Фазовые переходы и поляризационные свойства полидиметилсилоксана. Влияние величины неоднородности температурного поля на процесс кристаллизации ПДМС. Температурная зависимость коэффициента поляризации в области кристаллизации ПДМС. Термограммы плотностей тока ТСД в ПДМС, закристаллизованном во внешнем электрическом поле. Температурные зависимости Р(Т) в ПДМС, закристаллизованном во внешнем электрическом поле. Зависимость максимального коэффициента поляризации от величины напряженности внешнего электрического поля. Сингулярности активационных функций при фазовых переходах в кристаллизующихся полимерах.

Раздел 6. ТЕРМОПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПОЛИМЕРАХ ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ

Влияние нерегулярностей в полимерной цепи на процессы кристаллизации и плавления в полимерных материалах на примере исследования термополяризационных свойств модифицированного полимера СКТВ-1. Фазовые превращения в полидиэтилсилоксане. Термополяризация при фазовых переходах в неоднородном температурном поле. Особенности поляризационного эффекта при кристаллизации ПДЭС из мезофазы и расплава. Влияние комформационных дефектов в цепях на поляризованость органосилоксанов. Влияние мелкодисперсных наполнителей на поляризационные характеристики органосилоксанов. Фазовые превращения в полидиэтилсилоксане. Поляризационные свойства кремнийорганических жидкостей ПМС при фазовых переходах. Корреляция особенностей поляризационных свойств с фазовыми переходами в ОДМС.

Раздел 7. ТЕРМОПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Целлюлоза как основная составляющая вещества древесины. Структура целлюлозы. Рациональная модель элементарных звеньев целлюлозы. Модель Мейера-Миша для кристаллическая решетка целлюлозы-I. Модель волокна Херля, Статтона, Китайгородского и Цванкина. Структурные переходы в целлюлозе. Кристаллические модификации целлюлозы. Аномалии коэффициента теплопроводности при переходах кристалл-кристалл в целлюлозе.

Поляризационные свойства и фазовые переходы целлюлозы при Т=140-360К.

Раздел 8. МЕТОД ТОКОВ ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ

Способы получения органосилоксанов. Свойства объектов исследования. Измерительная ячейка. Метод поляризационных токов. Метод токов ТСД. Диэлектрический метод. Методы определения энергии активации. Тео-

9

ретические основы метода токов термостимулированной деполяризации и границы его применимости.

Раздел 9. МЕТОД ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-СКАНИРУЮЩЕЙ КАЛОМЕТРИИ

Равновесная калориметрия и динамический анализ тепловых процессов. Общность и различие методов ДТА и ДСК. ДСК-термограммы. Адсорбционные свойства исследуемых материалов. Изотерма адсорбции воды на полиимидной пленке. Термограммы тангенса угла диэлектрических потерь (f = 1 кГц) и плотности тока ТСД в полиимидной пленке при различной адсорбции воды. Адсорбционный метод исследования полимеров и древесины, как полимерного композита.

Раздел 10. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ФЛУКТУАЦИЙ

Флуктуации числа частиц идеального газа. Флуктуации объема. Флуктуации температуры в заданном объеме. Влияние флуктуаций на точность измерений. Тепловое расширение полимерных структур. Термодинамическая теория флуктуаций и комформационная энтропия боковых групп полимерных цепей.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТОВ

Методические указания аспирантам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к зачету.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с

10

целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Каждое индивидуальное задание представляет собой набор нескольких задач, относящихся к определенному разделу дисциплины «Поляризационные эффекты в кристаллизующихся полимерах». Цель индивидуального задания – практическое освоение теоретического курса и приобретение навыков решения задач, имеющих как учебный, так и прикладной характер.

Решенные примеры не заменяют учебный и лекционный материал, поэтому перед выполнением задач следует ознакомиться с соответствующими разделами теоретического курса лекций или учебников, которые приведены в рекомендуемом списке литературы.

Индивидуальное задание оформляется в рукописном виде. После решения задач, входящих в задание, листы с решениями брошюруются и снабжаются титульным листом с обязательным указанием дисциплины, номера варианта задания и данных аспиранта.

При представлении задач обязательными элементами являются:

–текст задачи;

–используемые термины теории графов или системного анализа;

–необходимые графические изображения или Print Screen использованных формализованных моделей.

В процессе защиты индивидуального задания аспирантам могут быть предложены контрольные вопросы и задачи из соответствующего раздела курса.

Небрежно оформленные и выполненные не по своему варианту индивидуальное задания к защите не принимаются.