авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование свойств тонких пленок воды в дисперсных системах на основе углеродсодержащих материалов в тепловых и электромагнитных полях

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БАРДЮГ Даниил Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК ВОДЫ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ В ТЕПЛОВЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Поморском государственном университете,

на кафедре общей физики физического факультета

(г. Архангельск)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Копосов Геннадий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Меньшиков Леонид Иеронимович

кандидат физико-математических наук,

доцент Бахтина Елена Юрьевна

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический)
федеральный университет»

Защита состоится 6 декабря 2010 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 212.154.22 при Московском педагогическом государственном университете (физический факультет) по адресу: 119435, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета (119991, г. Москва, ул. М. Пироговская, д. 1).

Автореферат разослан ______ ___________2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ильин В.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Дисперсные системы широко распространены в природе и технике. С физической точки зрения они представляют интерес в связи с наличием необычных свойств. Примером тому служат композиционные системы, имеющие как хаотическую, так и упорядоченную структуру отдельных компонентов и обладающие соответствующими свойствами. При некотором критическом размере частиц и их критической концентрации дисперсная система становится структурированной и переходит в совершенно новое состояние. Одним из удивительных свойств упорядоченных композитных структур с периодическими проводящими неоднородностями в виде колец и спиралей является отрицательные значения действительных частей диэлектрической и магнитной проницаемостей в микроволновой области электромагнитных излучений и, как следствие, отрицательные значения показателя преломления.

Особую группу дисперсных систем составляют влагосодержащие дисперсные среды (ВДС), играющие исключительную роль в природе. Распространенность воды и явления смачивания обусловливают и обилие влагосодержащих дисперсных систем, в которых вода выступает в качестве дисперсной фазы. Наличие отрицательных температур на Земле в связи с сезонными процессами вызывает переход ВДС в качественно новое состояние, вызванное фазовым переходом вода-лед. Требования по измерению влажности почв в широких масштабах способствовали развитию методики дистанционного зондирования, базирующейся на использовании СВЧ-излучения. Расшифровка сигналов дистанционного зондирования предполагает знание диэлектрических характеристик почв, что в свою очередь порождает необходимость в лабораторных исследованиях влажностных, температурных, гранулометрических и минералогических зависимостей этих характеристик. Указанное обстоятельство обусловило специфику исследования ВДС в 50 – 90-х годах XX века. Приоритет был отдан диэлектрической проницаемости, как предмету, и кремнийсодержащим материалам (песок, глина) как объекту исследований. В то же время нужды гидролизного производства генерировали соответствующие исследования древесины и продуктов ее переработки.



ВДС как физические объекты представляют интерес и с научной точки зрения. Исследования этих систем, проведенные во второй половине XX века, способствовали становлению представлений о двух формах влаги в ДС – связанной и свободной воды. Были выявлены некоторые специфические свойства связанной воды у поверхности гранул ДС из гидрофильных материалов. Но ряд вопросов еще ждет своего решения, например, каковы теплоемкость, электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость и другие свойства связанной воды. Естественен также вопрос о корреляции свойств связанной воды в ДС со свойствами объемной воды. Для выхода на новый уровень понимания физических явлений, происходящих во ВДС, особенно при отрицательных температурах, необходима комплексность и системность проведения исследований.

Стратегическая линия исследований мерзлых ВДС, проводимых в лаборатории физики дисперсных систем Поморского государственного университета характеризуется расширением температурного диапазона в область отрицательных температур, вплоть до температуры жидкого азота; систематичностью исследования влажностных зависимостей; расширением круга материалов, гранулы которых образуют ДС; широким набором исследуемых свойств (теплоемкость, фазовые переходы, электрическая проводимость на различных частотах, диэлектрическая проницаемость на низких частотах и в СВЧ-диапазоне).

Актуальность диссертационного исследования в первую очередь связана с выбором изучаемых объектов – ВДС с углеродсодержащими гранулами. В отличие от исследовавшихся ранее кремнийсодержащих материалов, они позволяют более детально изучать свойства свободной и связанной воды и льда на их основе в ВДС.

С другой стороны, исследования влажностных зависимостей свойств ВДС, не проводившиеся ранее, позволяют выделить свойства компонентов ДС.

Кроме этого, расширенный в область отрицательную область температурный интервал исследований, позволяет детально изучать свойства влаги в ДС.

Предметом изучения является определение калориметрических и электрических свойств свободной и связанной воды, покрывающей гранулы ВДС с углеродсодержащими материалами.

В связи с вышесказанным была поставлена цель работы: проведение широких исследований тепловых и электрических свойств мерзлых ВДС из материалов с углеродсодержащими гранулами в диапазоне температур (–196 +20) оС.

При этом было необходимо решение следующих задач:

  1. Изучение температурно-влажностных зависимостей удельной теплоемкости ВДС на основе различных материалов (бумага, микрокристаллическая целлюлоза, порошок активированного угля, порошок оргстекла, мел).
  2. Изучение специфики фазового перехода лед-вода в ВДС на основе указанных материалов.
  3. Изучение предплавления льда в ВДС с гранулами из перечисленных выше материалов.

4. Исследование температурно-влажностных зависимостей удельной электрической проводимости ВДС.

5. Исследование температурно-влажностных зависимостей диэлектрической проницаемости ВДС на частотах 1 кГц и 10 ГГц.

Для решения поставленных задач использовались различные методы исследования. Теплофизические свойства исследовались с использованием калориметра на анизотропных термоэлементах на основе висмута в квазиадиабатном режиме при скорости нагревания 0,3 – 0,8 К/мин. Электрические и диэлектрические свойства ВДС исследовались с использованием измерителя R, L, C характеристик Е7-8. Диэлектрические свойства на частоте 10 ГГц измерялись по волноводной методике.

Научная новизна и теоретическая значимость настоящей работы определяется

- получением экспериментальных данных для ДС с гранулами из ранее не исследовавшихся материалов,

- анализом экспериментальных результатов исследования предплавления льда, являющегося дисперсной фазой в ДС, на основе теории Френкеля-Хайта,

- вычислением удельных теплоемкостей компонентов ДС путем анализа влажностных зависимостей удельной теплоемкости системы в целом,

- обнаружением различия механизмов образования флуктуаций предплавления льда в ДС с гранулами, содержащими каналы проникновения воды и не имеющими таковых,

- доказательством различия энергий активации электропроводности объемного льда и льда, находящегося в дисперсной фазе,

- установлением эффекта уменьшения энергии активации электропроводности льда в ДС при снижении влажности,

- обнаружением отрицательного вклада льда в диэлектрическую проницаемость ДС,

- обоснованием того факта, что рост электропроводности и диэлектрической проницаемости ВДС при со стороны отрицательных температур связан с предплавлением льда.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Показана высокая информативность измерений электрических и тепловых свойств ВДС на основе различных, в том числе углеродсодержащих материалов.

2. Апробирована методика анализа предплавления льда в ДС, которая может быть применена для других материалов.

3. Предложена методика определения влажностных границ переходов от связанной воды к свободной.

4. Обоснована методика анализа влажностных зависимостей удельной теплоемкости ВДС, которая может быть использована для получения концентрационных зависимостей свойств любых многокомпонентных ДС.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Экспериментальные результаты, методика и анализ процесса предплавления льда во влагосодержащих дисперсных средах, установление факта зависимости концентрации флуктуаций от влажности и особенностей гранул ДС по отношению к проникновению воды внутрь гранул.
  2. Результаты экспериментального исследования плавления льда, позволяющего обосновать методику определения влажностных границ переходов от связанной воды к свободной.
  3. Установление факта идентичности удельной теплоты плавления льда из объемной воды и льда в ДС; при этом в системах с капиллярами наблюдается значительное смещение начала плавления в область отрицательных температур.
  4. Расчет удельных теплоемкостей связанной и свободной воды по предложенной методике доказывает, что удельная теплоемкость льда из свободной воды и объемного льда совпадают, а теплоемкость связанной воды имеет значение, большее, чем объемной.
  5. Установление четырех характерных областей температурно-влажностных зависимостей электропроводности ДС на частоте 1 кГц, что связано с особенностями поведения двойного электрического слоя; доказательство убывания энергии активации электропроводности с уменьшением влажности. Экспериментальное обнаружение отрицательного вклада связанной воды в диэлектрическую проницаемость ВДС на частотах 1 кГц и 10 ГГц при температурах, меньших ; для объяснения указанных особенностей использована модель, базирующаяся на гипотезе существования плазменных колебаний протонов.

Апробация. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на Всероссийских конференциях «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» («ФАГРАН-2002» и «ФАГРАН-2004») в Воронеже, Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» в Краснодаре, Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры (ПЛЕНКИ-2004)» (Москва, 2004), на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-12» (Новосибирск, 2006).

Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 1 в журналах из списка ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка цитируемой литературы. Полный объём работы составляет 198 страниц печатного текста, включая 55 страниц рисунков и таблиц. Список литературы включает 184 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор литературных данных по теме диссертации. Глава состоит из семи параграфов. В первом дается определение дисперсной системы (ДС), указываются ее виды, приводится краткое описание основных физико-механических и диэлектрических характеристик ДС. Отдельно рассматривается древесина как частный вид ДС (капиллярно-пористая ДС), ее строение и свойства. Обосновывается актуальность изучения физических процессов, происходящих в ДС.





Во втором параграфе основное внимание уделяется классификации типов влаги в различных дисперсных системах, описанию их свойств (плотность, температура замерзания и др.), условиям взаимоперехода одного типа воды в другой. Характеризуются методики изучения свойств связанной воды.

В третьем параграфе приведены сведения о свойствах связанной воды и обсуждается фазовая диаграмма свободной и связанной воды.

В четвертом параграфе рассмотрены общие положения теории фазовых переходов I и II рода. Рассмотрены условия образования льда различных типов и их физические свойства.

В пятом параграфе описаны результаты экспериментальных исследований диэлектрических свойств влагосодержащих ДС в низкотемпературном диапазоне, обсуждается их интерпретация, а также принятые в настоящее время модели влажного и мерзлого песка как наиболее исследованной ДС.

Шестой параграф посвящен анализу работ по электрической спектроскопии ДС – рассмотрены возможные методы исследований и описана принципиальная методика анализа данных эксперимента.

В выводах на основе анализа рассмотренного материала ставится задача диссертационного исследования и приводится обоснование выбора объектов исследования.

Во второй главе приводится описание экспериментальных методик и установок, используемых в лабораторном эксперименте по исследованию: 1) теплоемкости ДС и теплоты фазовых переходов в них в этом же температурном интервале; 2) диэлектрической проницаемости в СВЧ диапазоне в температурном интервале ; электрической проводимости и диэлектрической проницаемости ДС на частоте 1 кГц. Рассматриваются условия проведения измерений, приводится описание методики подготовки образцов к экспериментальным исследованиям.

Для проведения тепловых измерений использован калориметр, построенный по двухкамерной схеме с наружной (фоновой) и внутренней (измерительной) камерами. Между ними с помощью электрического нагревателя на наружной камере поддерживается нулевая разность температур. Количество теплоты, идущей на нагревание внутренней камеры с исследуемым образцом, определяется по мощности встроенного в нее электрического нагревателя. Для контроля равенства температур камер используются анизотропные термоэлементы (АТЭ) из висмута, расположенные между камерами и позволяющие измерять тепловые потоки между ними по значениям поперечной термо-ЭДС.

Основная часть стенда – измерительная ячейка калориметра (рис. 1), состоящая из двух камер внутренней (1) и наружной (7). Внутренняя камера представляет собой алюминиевый стакан с наклеенными на боковые стенки 256 термоэлементами (2), объединенными в термобатарею, и теплоизоляционной прокладкой (3) на дне. Внутри камеры расположена внутренняя печь (4) в форме алюминиевого цилиндра с нагревательной спиралью. В нее помещается цилиндрический стакан (5) с исследуемым образцом. Термоэлементы отделяет от наружной камеры медная фольга и защитный алюминиевый экран (6). На боковой поверхности наружной камеры находится нагреватель (наружная печь). К верхней крышке камеры подвешивается алюминиевый стакан с исследуемым образцом. В конструкцию измерительной ячейки входит пять термопар медь-константан, позволяющих измерять температуру в точках А Е и разность температур между ними.

Измерения осуществлялись в парах жидкого азота при нагревании со скоростью 0,3 0,8 К/мин. Батарея АТЭ использовалась в качестве нуль-индикатора. С учетом возможного малого теплового потока через АТЭ:

P=IU+(1/В), (1)

где I и U – сила тока и напряжение на внутренней печи; – поперечная термо-ЭДС батареи АТЭ; В – вольт-ватная чувствительность батареи АТЭ при данной температуре.

Теплоемкость внутренней (по отношению к термоэлементам) камеры определялась по отношению тепловой мощности к скорости изменения температуры в центре образца P/(t/). Теплоемкость исследуемого вещества равна разности теплоемкостей внутренней камеры с образцом и без него.

Расчёт удельной теплоемкости воды в составе исследуемой ДС проводился в предположении аддитивного вклада в общую теплоемкость компонентов дисперсной системы. При этом удельная теплоемкость суд ДС:

, (2)

где сд и св – удельные теплоемкости дисперсионной среды и воды; mд, mв, mобр – массы дисперсионной среды, воды и в целом образца ДС; – относительная влажность ДС (выраженная в долях единицы).

Теплоемкость воды определась как тангенс угла наклона касательных к линиям зависимости , построенных в исследуемой точке.

Вклад в теплоемкость процесса предплавления находился по разности между измеренными значениями удельной теплоемкости и экстраполированными по линейной зависимости из области более низких температур: . В этом случае теплота, затрачиваемая на процесс предплавления, определялась следующим образом:

, (3)

здесь T1– температура меньшая начала предплавления а T – текущая температура в фазе предплавления.

Учитывая, что процесс предплавления имеет флуктуационный характер, были построены графики зависимостей и определены энергии активации флуктуаций.

Для диэлектрических исследований в СВЧ диапазоне был использован волноводный метод измерений, как достаточно надёжный и точный и в то же время легко осуществимый на практике. Комплексная диэлектрическая проницаемость ДС определялась методом короткого замыкания и холостого хода [1], в основе которого лежит определение коэффициента стоячей волны (КСВ) и смещения минимума стоячей волны относительно выбранной плоскости отсчета для образца, на конце которого попеременно создаются режимы короткого замыкания и холостого хода. Блок-схема волноводного измерительного стенда показана на рис. 2.

Исследование электрических свойств ДС на основе содержащих углерод материалов в электрических полях частотой 1 кГц проводились с помощью измерительного конденсатора. В основе методики лежат исследования характеристик заполненного дисперсной средой конденсатора: проводимости G и электрической емкости C.

 (I - СВЧ-блок; II - система криогенного-12

Рис. 2. (I - СВЧ-блок; II - система криогенного обеспечения и измерения температуры.)

Электрическая емкость плоского конденсатора, как и его электрическая проводимость, измерялись непосредственно. На основании измеренной проводимости G плоского конденсатора:

, (5)

рассчитывалась удельная электрическая проводимости .

С учетом влияния паразитных емкостей и емкостей подводящих проводов:

, (6)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.