» » Особенности разрушения прозрачных полимеров
24.12.2014

Исследование механизма явлений, возникающих при облучении ионных кристаллов, показало существенные отличия в эффектах разрушения прозрачных и непрозрачных материалов.
Изучение разрушения прозрачных материалов проводилось рядом авторов, например, в работах Таунса и др. Ниже будут приведены некоторые экспериментальные данные о разрушении полимеров, которые, в частности, помогают анализировать дислокационные эффекты в прозрачных кристаллических материалах. Было проведено исследование воздействия мощного лазерного излучения на полиметилметакрилат (плексиглас). Использован лазер с модуляцией добротности (длительность импульса порядка 10в-8 сек) и регулируемой выходной мощностью. Свечение сфокусированного излучения внутри прозрачного образца в момент импульса лазера регистрировалось при помощи фотоаппарата. Полученная картина разрушения исследовалась затем микрофотографическим способом. Результаты измерений по некоторым образцам из плексигласа (n=1,5) сведены в табл. 8.1,
Особенности разрушения прозрачных полимеров

где W — мощность излучения лазера, Мвт (+10%); R0 — фокусное расстояние линзы в воздухе, мм; d — часть R0, приходящаяся на среду, мм; х = dn — действительная координата фокуса в среде. Следующие столбцы таблицы описывают размытые фокуса за счет аберраций системы; B = 1/2 d (n2-1)/n, мм; θm — угол между периферийным лучом и осью; Вθm2-10в-2 мм; х — координата пересечения периферийного луча с осью Ох, мм.
Из табл. 8.1 следует, что за счет аберраций системы можно ожидать размытия фокуса (перемещение фокуса вперед по ходу луча) на величину около 0,5/1 мм, поддающуюся измерению.
При анализе видов разрушения оргстекла при воздействии светового луча можно выделить два резко отличающихся друг от друга типа разрушения: 1) разрушение по механизму образования округлых пор, 2) разрушение по механизму образования почти плоских трещин.
Оказалось, что в исследованном интервале мощности излучения и параметров оптической системы вид разрушения зависит только от фокусного расстояния линзы и не зависит, например, от мощности светового луча.
Разрушение по механизму образования пор характерно при использовании линз с большим фокусным расстоянием. На фотографиях светового луча лазера в образце более узкая и менее расходящаяся часть светового луча проходит значительно дальше фокуса линзы.
Следует обратить внимание также на характерный пробой воздуха при переходе луча из воздуха в оргстекло и вспышку при выходе луча из образца. На образование этого пробоя, связанного с возникновением плазмы, тратится некоторая часть энергии луча, поэтому вычисление плотности мощности внутри, образца провести не удается. Однако изменение мощности излучения в небольших пределах не меняет вида плазменного облака, т. е. количество энергии, переходящее в плазму, существенно не меняется.
Зона разрушений имеет коническую форму и состоит из отдельных точек, рассеивающих свет (фотографирование проводилось при подсветке узким лучом люминесцентного света с торцов образца). У мест входа лучей и в зоне, близкой к фокусу, обычно видны сгущения точек. Следует отметить, что распространение разрушения наблюдается значительно дальше фокуса, отмеченного стрелкой. Наконец, при фотографировании с торца видно, что конус разрушения имеет форму основания, близкую к кругу.
Плотности излучения при входе в среду в случаях 2, 3, 4 (см. табл. 8.1) составляли 10в8 вт/см2 (разрушение по механизму образования пор).
При уменьшении фокусного расстояния картина разрушения постепенно изменяется и механизм разрушения начинает характеризоваться все меньшим количеством округлых пор и большим количеством трещин. На фотографиях луча лазера, сфокусированного короткофокусной линзой можно выделить, что в образце из оргстекла, как и следовало ожидать, след луча сконцентрирован в области фокуса. Кроме того, опять нужно отметить распространение узкой области интенсивного свечения за фокус. Микроисследование показывает, что зона разрушения разбита на несколько последовательных каналов, окруженных трещинами различных размеров.
Образование плоских трещин наблюдается также и при действии светового импульса лазера, работающего в режиме свободной генерации (длительность импульса 10в-3 сек). Однако при гигантском импульсе (10в-8 сек) трещины проходят через ось луча, а при обычном (10в-7 сек) трещины наклонены к оси на угол, близкий к 45°.
Фотографии процесса образования плоских трещин показали, что при длительности импульса 10в-3 сек практически все разрушение происходит за время действия импульса. Этот вывод основан на том, что фотографии разрушения, сделанные во время и после действия импульса, почти не отличаются друг от друга.
Кроме того, часто наблюдаются вторичные разрушения, т. е. системы трещин, расположенных вдоль оси, составляющей угол около 90° к первичному лучу. В таких случаях всегда видно, что вторичное разрушение связано с отражением света от ранее образовавшейся трещины. Напомним, что импульс излучения при свободной генерации состоит из нескольких десятков пиков, следующих друг за другом.
Для гигантского импульса (10в-8 сек) фотографии разрушения по механизму образования трещин, сделанные во время и после действия импульса, не совпадают. Во время импульса разрушение имеет коническую форму и плоские трещины растут уже после окончания импульса.
Исследование разных типов прозрачных полимеров показало, что в каждом из них существуют специфические особенности разрушения. Например, в полистироле при обычном импульсе (10в-3 сек) образуются плоские трещины, составляющие с лучом угол, меньший, чем в органическом стекле. При гигантском импульсе в этом материале даже при короткофокусных линзах образуется коническое разрушение без плоских трещин, также распространяющееся значительно дальше фокуса. Измерения области разрушения показывают, что интервал разрушения во всех случаях больше, чем сдвиг фокуса, обусловленный аберрацией линз, и в этих случаях наблюдается эффект самофокусировки света в твердом теле.
Представляло интерес более подробное исследование микрокартины при воздействии обычного и гигантского световых импульсов. В качестве объекта исследования было выбрано оргстекло (полиметилметакрилас, плексиглас), обладающее большой прозрачностью для видимого света. Исследовались образцы из оргстекла в виде прямоугольных призм размерами 60x25x25 мм3 и цилиндров диаметром 16 мм и длиной от 30 до 65 мм.
Квантовый генератор света (лазер) позволял получать лучи с энергией 5 дж с продолжительностью действия импульса от 10в-3 до 10в-9 сек.
Варьировались в основном следующие условия эксперимента: 1) мощность излучения лазера в диапазоне от 20 до 90 мвт, 2) фокусное расстояние для фокусирующей свет системы от 18 до 80 мм. Анализ нескольких десятков образцов, подвергнутых облучению, показал, что луч света разрушает образцы, причем можно выделить два основных типа разрушения. При фокусировании излучения длиннофокусными линзами разрушение идет на всем пути луча в образце и обычно происходит по механизму образования мелких почти сферических пор, при фокусировании излучения короткофокусными линзами разрушение идет по механизму образования приближенно плоских трещин. Другие параметры системы не оказывают существенного влияния на вид разрушения.
При микроанализе двух упомянутых видов разрушения удалось установить следующие характерные особенности. При разрушении по механизму образования «пор» в поперечном сечении образца всегда виден след всего луча вплоть до точки фокусировки. Несмотря на большое расстояние точки фокусировки от поверхности образца (до 504-60 мм) на поверхности возникают небольшие кратеры (рис. 8,1,а); при сошлифовывании перпендикулярно лучу в сечении наблюдаются округлые поры, а поверхностные кратеры исчезают уже при снятии слоя 0,5 мм. На рис. 8.1,б изображен тот же участок образца после сошлифовывания слоя. Обычно сечение зоны разрушения, перпендикулярное лучу, имело приближенно круговую форму.
При анализе продольного сечения (вдоль луча) прежде всего необходимо отметить следующие зоны разрушения в районе фокуса. При визуальном исследовании кажется, что зона разрушения простирается только до фокуса, однако при микроскопическом анализе видно, что существенные эффекты разрушения наблюдаются и значительно дальше фокуса и достигают противоположной грани образца. Этот эффект иллюстрируется микрофотографией области фокуса.
Особенности разрушения прозрачных полимеров

При увеличении остроты фокусировки разрушение по механизму образования пор постепенно переходит в разрушение по механизму образования плоских трещин. В этом случае характерным является возникновение полого трека вблизи точки фокусировки, окруженного трещинами различных размеров. Особенно характерными являются крупные трещины, почти плоские, приближенно круговой формы (точнее, имеющие форму лепестков, наклоненных примерно под углом 45° к пути луча). Концентрация разрушения вдоль пути луча в этом случае значительно больше как вдоль, так и поперек направления светового луча лазера.
Среди других особенностей следует отметить отсутствие следов разрушения на большей части пути светового луча в образце и специфическое строение «лепестков» трещин, на которых видны концентрические лучи. Изменение механизма разрушения с ростом концентрации энергии в луче можно представить следующим образом. При относительно малом градиенте концентраций энергии происходит выделение тепла на микроскопических неоднородностях в материале. При этом происходят химические реакции, вызывающие появление пор или пузырьков.
Форма области, занятой порами, примерно повторяет форму светового конуса в материале. При более высоких концентрациях энергии происходит нечто вроде теплового взрыва, приводящего к резко выраженному разрушению материала. Центр взрыва лежит в районе фокуса луча лазера.
Большой интерес представляет то, что зона разрушения (особенно четко это видно при разрушении по второму механизму) не является сферической зоной, имеющей определенный центр. Из анализа микроструктур видно, что основное выделение энергии происходит не в точке фокусировки, а на некоторой линии. В прозрачной пластмассе при действии светового луча лазера изменяются оптические свойства и возникает обнаруженный недавно эффект «светового канала» или самофокусировки луча.
Представляло интерес систематическое исследование зависимости микроскопических и макроскопических характеристик разрушения прозрачных полимеров от времени действия светового импульса, а также плотности энергии и мощности светового излучения. Полученные данные позволили сделать некоторые заключения о механизме разрушения прозрачных полимеров световыми импульсами.
Детальное исследование проведено на образцах и полиметилметакрилата и полистирола, имеющих форму параллелепипеда и различные размеры. Грани образцов подвергались механической полировке, отсутствие царапин на поверхности проверялось под микроскопом. Световые лучи лазеров различных типов направлялись по направлениям, строго перпендикулярным граням образцов, и фокусировались линзами с различными фокусными расстояниями.
Во время действия светового импульса проводилось фотографирование собственного свечения области разрушения; после действия импульсов проводилось измерение геометрических характеристик полученных трещин и фотографирование как сквозь неразрушенную часть образца, так и различных видов сечений, в том числе фотографическое исследование поверхности разрушения. Анализ большого числа экспериментальных результатов показал, что все виды разрушения можно разбить на две большие группы: большие плоские трещины, наклонные к пути луча, возникающие при действии лазера в режиме свободной генерации (время импульса 10в-3 сек) и радиальные плоские трещины, возникающие при работе лазера в режиме гигантских импульсов (время действия импульса 10в-8 сек).
Режим свободной генерации рубинового лазера, используемого для раскрытия значительных плоских трещин, характеризовался в нашем случае следующими параметрами светового импульса: энергия Е=4/5 дж, время действия импульса 10~3 сек. Известно, что световой импульс свободной генерации (tu~10в-3 сек), как правило, состоит из многих вспышек (tв~10в-6 сек) нерегулярных по амплитуде и времени. Скважность вспышек равна
Особенности разрушения прозрачных полимеров

где T — «период» следования вспышек.
Таким образом, энергия светового импульса есть результат суммирования энергий отдельных вспышек, количество которых в зависимости от условий накачки колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен.
Возникшая в полиметилметакрилате картина плоских трещин, типичная для этого режима работы лазера, представлена на рис. 8.2: трещины почти круглые по форме, плоскости их ориентированы наклонно к лучу, и как правило, эксцентричны относительно луча, видны трещины, развившиеся в материале образца и рассредоточенные вдоль направления луча.
Здесь важно заметить то обстоятельство, что ни одна из многих прямых, лежащих в плоскости любой значительной трещины, не совпадает с направлением светового луча. Эксперименты показали, что основная масса разрушения расположена в дофокуcной области. Например, при линзе с фокусным расстоянием f=38 мм первая значительная трещина, еще сравнимая по размерам со «средней» трещиной следа, отстоит от фокусной точки (не доходит до нее) на 17 мм. После фокуса не наблюдается даже микроскопических разрушений.
Следует отметить, что этот вывод подтверждается результатами высокоскоростного фотографирования процесса разрушения полимеров световым лучом.
Естественным, однако, было бы ожидать максимальных разрушений в фокальной точке, так как именно здесь должна достигаться максимальная плотность световой энергии. Расположение трещин перед фокусом легко объясняется, если предположить, что рост трещин происходит за время t, сравнимое с tu≈10в-3 сек. Тогда околофокусное пространство от каждой «последующей» отдельной вспышки (tв≈10в-6 сек) лазерного импульса все более экранируется растущими трещинами, расположенными далеко от фокуса. На рис. 8.2 хорошо видно, как от образовавшихся во время импульса первичных трещин происходит отражение, о чем свидетельствуют группы вторичных трещин.
Единственной возможностью приблизить разрушение к фокусной точке является уменьшение «глубины погружения» прозрачного полимера в фокусное расстояние линзы (удаление образца от линзы).
При этом, действительно, разрушение начинает простираться вплоть до фокусной точки, но после фокуса ее по-прежнему нет, причем наблюдается уменьшение как количества, так и размеров самих трещин. Последнее замечание наводит на мысль, что зона плоских трещин лежит внутри конуса светового луча. Тщательные измерения, однако, показали, что некоторые значительные трещины выходят за эту границу.
Плоскость отдельной трещины при соответствующих углах наблюдения окрашивается повторяющимися цветами спектра, указывая тем самым на наличие зазора между плоскостями раскола.
Особенности разрушения прозрачных полимеров

Выделение и исследование трещины под микроскопом показало, что трещина имеет волнообразную поверхность (рис. 8.3). Такой вид поверхности трещины нельзя объяснить расклинивающим действием отдельной вспышки (tв≈10-6 сек); нет корреляции при количественном сопоставлении числа вспышек (из осциллограмм импульса) с числом гребней на поверхности трещины.
Периодическая структура поверхности трещины является, по-видимому, остаточной картиной автоколебательного процесса, возникающего во время расклинивания.
Картина разрушений в полистироле в общем похожа на картину разрушений в полиметилметакрилате. Плоские трещины в полистироле отличает только то, что их размеры (при разных энергиях светового излучения) больше и из-за обильного образования сажи, они очень контрастно выглядят на фоне прозрачного образца. Углы между плоскостью трещин и направлением луча часто близки к углу в 45°, что существенно отличает их от трещин в прозрачных неорганических кристаллах, возникающих под действием световых импульсов. В кристаллах независимо от направления действия луча трещины растут по плоскостям спайности.
Особенности разрушения прозрачных полимеров

Лазер в режиме одиночных гигантских импульсов (tu≈10в--8 сек) дает иную картину разрушения. Это объясняется тем, что режим модуляции добротности лазера сопровождается резкими изменениями светового импульса. Так, в нашем случае энергия упала до 0,4 дж, a tu≈10в-8 сек. Из-за сокращения длительности импульса мощность последнего достигает 40/60 Мет. Для дальнейшего повышения мощности ставился усилитель.
Существенное увеличение плотности излучения при переходе к гигантскому импульсу приводило к тому, что по всему световому конусу возникали трещинки; но так как время действия импульса очень мало, то трещинки оставались неразвитыми и мелкими. В полиметилметакрилате в зависимости от мощности и фокусного расстояния линзы возможны три случая:
1) Малые мощности (1/10 Мвт) и длиннофокусные линзы (f=50/100 мм). Образуется конус мелких трещин (в границах светового конуса), не выходящей за пределы фокуса.
2) Большие мощности (50/100 Мвт) и длиннофокусные линзы. Образуется аналогичный конус трещин, но этот конус простирается за фокус своей несколько вытянутой и сужающейся трещиной.
3) Большие мощности и короткофокусные линзы. Кроме конусообразного следа мелких трещинок наблюдается еще и другой вид разрушения — «звезда», располагающаяся в прифокальной области, включая и сам фокус.
Звезда представляет собой набор укрупненных плоских радиальных трещин, имеющих общую линию пересечения, которая совпадает с направлением луча. Часть разрушения простирается острием за фокус, что видно на рис. 8,4,6, где К — направление луча, F — фокусная точка, а — вид сбоку (перпендикулярно K-), б — вид на звездочку по К.
Сопоставление размеров трещин в звездочке (~5 мм) и длительности импульса (10 8 сек) заставляет предположить существование какого-то инерционного механизма в инициировании взрыва, начиная с момента поглощения энергии и кончая раскрытием трещин (отметим еще раз, что почти вся звезда находится вне пределов линейной геометрии светового конуса).
Другими словами, трещины должны развиваться тогда, когда световой импульс давно уже закончился. Для доказательства этого положения можно привести рис. 8. 4, в. Фотография сделана в момент выстрела лучом лазера рассеянный свет которого подсвечивает еще два разрушения, сделанных ранее (сверху). Четко видно, что область максимального разрушения (звезда), наблюдаемая на двух верхних конусах, отсутствует на нижнем. Кстати, отсюда следует сделать еще один вывод — разрушение, начавшись после действия светового импульса, не сопровождается собственным свечением. (В противном случае фотоаппарат с длительно открытым затвором заснял бы внизу картину, похожую на 2 верхних конуса со звездой.)
Особенности разрушения прозрачных полимеров

Добавим, что такое же фотографирование в режиме свободной генерации подтвердило сделанное выше предположение, что время развития плоских трещин tразр меньше или равно tu (10-3 сек). Другими словами, фотографии, сделанные в момент выстрела, почти не отличаются от окончательного вида разрушения в образце.
При использовании гигантского импульса лазера необходимо рассматривать нелинейные свойства среды. Например, напряженность электрического поля в наших экспериментах в точке фокуса (если вся энергия донесена до фокуса) при радиусе фокального пятна 10в-2 см составляла величину 10в6/10в7 в/см, что уже сравнимо с микрополями среды.
Таким образом, при гигантских импульсах разрушения, простирающиеся за фокус, связаны с явлением самофокусировки света — нелинейным эффектом от взаимодействия мощного излучения с материальной средой. Этот эффект заключается в образовании светового канала в твердом теле, т. е. лучи света, которые сходятся в фокусе, далее не расходятся, а продолжают идти вдоль оси луча света. След узкого светового канала можно зарегистрировать на фотобумаге даже на больших расстояниях oт образца (404-50 см). В полистироле гигантские импульсы из-за более сильного поглощения луча и исследуемого термического разложения материала (сажа) образуют четкие конусы с удлиненной вершиной (тоже уходящей за фокус).
Отметим один интересный эффект разрушения в полистироле. Теоретическое рассмотрение хода световых пучков в реальной среде показало возможность расслоения конуса светового луча на отдельные более узкие конусы при очень высоких плотностях мощности излучения. Действительно, микроисследование продольного сечения конуса показывает, что конус состоит из тонких нитей, сходящихся у вершины.
На фотографиях образца полистирола во время действия обычного импульса (10в-3 сек), сфокусированного внутрь образца, хорошо видны выброс раскаленных частиц и образование газового облака, указывающие на то, что в разрушении световыми импульсами большую роль играют также и газодинамические эффекты давления паров, возникающих при термическом разложении полимера. Образование газа и его расклинивающее действие при внутреннем разрушении подтверждается также скоростной киносъемкой.
Можно видеть вспышку в месте выхода луча из образца. Интересно, что это явление возникает даже тогда, когда лучи лазера фокусируются внутрь образца (а не на выходную поверхность). Вспышка в месте выхода луча в неорганических стеклах приводит к образованию сколов. В наших экспериментах с полимерами вспышка сопровождалась очень незначительными почти незаметными повреждениями выходной поверхности образца.