Основные закономерности образования и развития регулярных микроструктур при деформировании полимеров с тонким твердым покрытием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.06, кандидат химических наук Воронина, Елена Евгеньевна

• Воронина, Елена Евгеньевна
• кандидат химических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат химических наук Воронина, Елена Евгеньевна

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1.Структурно-механические аспекты деформации и механизмы разрушения армированных пластиков.

1.2. Структурно-механические аспекты деформации систем «твердое покрытие на податливом основании».

1.2.1. Особенности разрушения твердого покрытия при деформировании полимера-подложки.

1.2.2. Явление потери устойчивости жесткого покрытия при деформировании полимера-подложки.

1.3. О прикладном аспекте явления возникновения регулярного микрорельефа на поверхности полимерных пленок с тонким жестким покрытием.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основные закономерности образования и развития регулярных микроструктур при деформировании полимеров с тонким твердым покрытием»

Хорошо известно, что полимерные материалы находят самое широкое применение в различных областях промышленности и техники, а также в быту. Это в первую очередь связано с тем, что полимеры обладают рядом уникальных механических свойств, поэтому огромное количество исследований посвящено изучению механических свойств полимерных материалов и механизмов их деформации [1-3].

Однако следует отметить, что в природе, быту и промышленности чистые полимерные материалы практически не встречаются, в связи с чем, бурно развивается наука о композиционных материалах [4-9]. Наиболее часто используются на практике и поэтому в наибольшей степени изучены композиционные материалы, построенные по принципу "усиливающее волокно в полимерной матрице". В настоящее время достаточно подробно изучены различные свойства таких композиционных материалов, в том числе и структурно-механические [8,9].

Другой разновидностью композиционных материалов являются системы, построенные по принципу "покрытие на полимере-подложке". Такие системы также нашли широкое практическое применение, например, в микроэлектронике, вычислительной технике и упаковочной промышленности [10-12]. Необходимо отметить, что системы, построенные по принципу "оболочка - основание", также широко распространены в окружающем мире (плоды растений, тела животных и т. д.), в связи с чем, изучение фундаментальных свойств таких систем имеет большое значение не только для материаловедения.

Многие свойства подобных систем уже достаточно подробно изучены [13-16], однако практически не исследованы структурно-механические аспекты их деформации. В недавних работах было проведено структурно-механическое исследование систем "твердое покрытие на полимерном основании". В частности, в работах [17,18] была изучена система полиэтилентерефталат - 8Ю2, а в [19-21] -система каучук - платиновое покрытие. В работе [19] впервые было обнаружено явление возникновения регулярного микрорельефа и регулярное разрушение покрытия на однородные по размерам фрагменты при деформировании таких систем. Авторы работ [19-21] полагают, что обнаруженные ими явления носят общий характер и не зависят от природы полимера и покрытия. В работах [20,21] проведен подробный теоретический анализ обнаруженных явлений и установлены причины и механизм их возникновения.

Полимеры, обладающие регулярным поверхностным микрорельефом, имеют широкое практическое применение. В настоящее время идет активная разработка новых материалов для оптических элементов оптоэлектронных приборов и систем отображения информации (дисплеев), в частности, для равномерной подсветки дисплеев, компенсаторов, ориентации жидких кристаллов (ЖК) и др. Для многих применений хорошие результаты достигаются при использовании подложек и элементов с микрорельефом заданной формы. Такие подложки используются и для разделения световых пучков с разной поляризацией. Также известно, что периодический микрорельеф с малым периодом (доли микрона) наряду с анизотропными поверхностными силами способствует анизотропной ориентации молекул в ЖК ячейках.

В цитированных выше немногочисленных работах, посвященных исследованию особенностей деформации систем "твердое покрытие на податливом основании" было показано, что такие системы имеют целый ряд характерных особенностей. В связи с вышеизложенным встает задача выяснения того, насколько общими являются обнаруженные в работах [19-21] закономерности. Такой подход тем более актуален, что все заключения о механизме обнаруженных в [19-21] явлений были сделаны при использовании упругой, обратимо деформируемой подложки - сшитого каучука.

В связи с этим, целью данной работы стало выявление наиболее общих структурно-механических свойств систем "твердое покрытие на полимерном основании" при использовании не упругой, а пластичной подложки -полиэтилентерефталата, ударопрочного и пластифицированного поливинилхлорида, изучение влияния условий деформирования и ряда других факторов на поверхностное структурообразование такого рода систем, а также выявление способности полимерных пленок с регулярным поверхностным микрорельефом к ориентации жидкого кристалла.

Заключение диссертации по теме «Высокомолекулярные соединения», Воронина, Елена Евгеньевна

Выводы.

1. Исследованы особенности деформации полимеров (ПЭТФ, ударопрочный и пластифицированный ПВХ) с тонким твердым покрытием в широком температурном диапазоне. Рассмотрено влияние различных факторов на рельефообразование и характер разрушения твердого покрытия при деформировании полимера-подложки. Впервые показано, что указанные процессы имеют стадию зародышеобразования, которая контролируется критерием гриффитсовского типа и связана с наличием в покрытии поверхностных микродефектов.

2. Установлены механизмы рельефообразования и разрушения покрытия при деформировании полимерных подложек. Согласно предложенным механизмам выведены соотношения для основных параметров возникающих структур -периода РМР и среднего размера фрагментов разрушения покрытия. Получено хорошее соответствие теории и эксперимента.

3. Предложен новый прямой метод оценки величины пластической деформации твердого покрытия при деформировании полимера-подложки. Показано, что предложенная методика может рассматриваться как новый эффективный метод исследования механических свойств твердых тел.

4. Впервые показано, что механическое напряжение, ответственное за явление потери устойчивости жесткого покрытия при его сжатии на податливом основании, не только определяет период возникающего микрорельефа, но также и существенным образом влияет на его перестройки, происходящие с изменением параметров рельефа, в условиях, когда геометрические размеры системы фиксированы.

5. Обнаружены новые особенности образования и развития регулярного микрорельефа, характерные только для ПВХ-подложек. К сходствам относятся качественные зависимости периода РМР от температуры, скорости растяжения и поведение в условиях релаксации, В то же время показано, что основным отличием является неустойчивость возникающего микрорельефа на поверхности полимера в случае ПВХ-подложки и ее способность к фибриллизации.

6. Впервые показано, что микрорельеф, возникающий при деформировании полимерных пленок, имеющих тонкое жесткое покрытие, способен ориентировать жидкий кристалл. Изменяя параметры возникающего микрорельефа можно регулировать направление молекулярной ориентации жидкого кристалла.

7. Описаны возможности и перспективы практического использования процессов, связанных с неустойчивостью полимерных систем в поле действия разных сил. Показано, что изучение рельефообразования в полимерных пленках с твердым покрытием является по существу универсальным методом моделирования многих процессов, связанных с потерей устойчивости тех или иных природных объектов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Воронина, Елена Евгеньевна, 2003 год

1. Аскадский A.A. Деформация полимеров. М.: Химия, 1967.

2. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М.-Л.: Химия, 1967.

3. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа, 1979.

4. Натансон Э.М., Брык М.Т. // Успехи химии. 1972. Т. 41. Вып. 8. С. 1465.

5. Алексеев А.Г., Корнев А.Е. Эластичные магнитные материалы. М.-Л.: Химия, 1976.

6. Липатов Ю.С. Физико-химия наполненных полимеров. М.-Л.: Химия, 1977.

7. Современные композиционные материалы. Под ред. Браутмана Л. и Крока Р. М.: Мир, 1970.

8. Туманова А.Т. Монокристаллические волокна и армированные ими материалы. М.: Мир, 1973.

9. Баженов С.Л. Дисс. д-ра физ. мат. наук. М.: ИХФ РАН, 1995.

10. Bends DJ., Gendey R.W., Rasile J. // IBM J. Res. Develop. 1982. V. 26. P. 278.

11. Watari Т. Murano H. // Proc. 35th Electronic Components Conf. IEEE. 1985. P. 193.

12. Felts J.T. // J. Plast. Film. Sheet. 1993. V. 9. № 139. P. 201.

13. Levins J.V., Vanderlink Т.К. // J. Phys. Chem. 1995. V. 99. № 14. P. 5067.

14. Kim J.M., Marzouk H.A., Reucroft P.J. et al. // J. Appl. Phys. 1995. V. 78 № 1. P. 245.

15. Faupel F., Yang C.H., Chen S.T., Ho P.S. // J. Appl. Phys. 1989. V. 65 № 5. P. 1911.

16. Ho P.S. // J. Appl. Surf. Sei. 1989. V. 41/42. P. 559.

17. Leterrier Y., Boogh L., Anderson J., Manson J.-A. E. Adhesion of Silicon Oxide Layers on Poly(ethyleneterephthalate). 1: Effect of Substrate Properties on Coating's Fragmentation Process.// J. Polym. Sei. В. Phys. 1997. V. 35. № 9. P. 1449.

18. Leterrier Y., Boogh L., Anderson J., Manson J.-A. E. Adhesion of Silicon Oxide Layers on Poly(ethyleneterephthalate). 2: Effect of Coating Thickness on Adhesive and Cohesive Strengths.// J. Polym. Sei. В. Phys. 1997. V. 35. № 9. P. 1463.

19. Баженов С.Л., Чернов И.В., Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. // Докл. РАН. 1997. Т. 355. №4. С. 491.

20. Баженов С.Jl., Чернов И.В., Волынский A.JL, Бакеев Н.Ф. // Докл. РАН. 1997. Т. 356. № 1.С. 54.

21. Баженов C.JL, Чернов И.В., Волынский A.JL, Бакеев Н.Ф. // Докл. РАН. 1997. Т. 356. №2. С.199.

22. Grosskreuts J.C., McNeil M.B. // J. Appl. Phys. 1969. V. 40. P. 355.

23. Pitkethly M.J., Favre J.P., Gaur U., Jakubowski J., Mudrich S.F., Caldwell D.L., Drzal L.T., Nardin M., Wagner H.D., Dilandro L., Hampe A., Armistead J.P., Desaeger M., Verpoest I. // Compos. Sei. Technol. 1993. V. 48. P. 205.

24. Kelly A., Tyson W.R. // J. Mech. Phys. Sol. 1965. V. 13. №2. P. 329.

25. Александров B.M., Мхитарян C.M. Контактные задачи для тел с тонкими покрытиями и прослойками. М.: Наука, 1983.

26. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 2. Физика сплошных сред. М.: Мир, 1966.

27. Biot M.А. // Quart. Appl. Math. 1959. V. 17. № 1231. P. 722.

28. Biot M.A. // J. Appl. Phys. 1954. V. 25. № 11. P. 2133.

29. Маневич Л.И., Павленко A.B., Коблик С.Г. Асимптотический метод в теории упругости ортотропного тела. Киев: Высшая школа, 1982.

30. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, Главная редакция физ. -мат. литературы, 1965.

31. Bowden N., BrittainS., Evans A.G., Hutchinson J.W., Whitesides G.M.// Nature. 1998. V.393. P.146.

32. Bowden N., Huck W.T.S., Paul K.E., Whitesides G.M.// Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75. №17. P. 2557.

33. Huck W.T.S., Bowden N.,Onck P., Pardoen T., Hutchinson J.W., Whitesides G.M.// Langmuir. 2000. V.16. №7. P.3497.

34. Dalnoki-Veress K., Nickel B.G., Dutcher J.R.// Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. № 7.P.1486.

35. Волынский А.Л., Гроховская Т.Е., Сембаева Р.Х., Баженов С.Л., Бакеев Н.Ф.// Докл. РАН. 1998. Т. 363. №4. С. 500.

36. Волынский А.Л., Гроховская Т.Е., Сембаева Р.Х., Баженов С.Л., Бакеев Н.Ф.// Высокомолек. соед. 2001. Т43. №2. С. 239.

37. Волынский A.JI., Гроховская Т.Е., Сембаева Р.Х.^минский И.В., Баженов C.JL, Бакеев Н.Ф.// Высокомолек. соед. 2001. Т.43. №6. С. 1008.

38. Волынский A.JL, Баженов C.JL, Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. С. 2002. Т. 44. № 12. С. 2352.

39. Tanaka Т., Sun S., Hirokawa Y., Katajama S., Kusera J., Hirose Y., Amija T. // Nature. 1987. V. 325. № 6107. P.796.

40. HwaT., Kardar M.//Phys. Rev. Lett. 1988. V.61. P. 106

41. Дубровский C.A. // Докл. АН СССР. 1988. Т.303. № 5. С.1163.

42. Tanaka Н., Sigehusi Т. // Am. Phys.Soc., Phys.Rev.E. 1994. V.49. № 1. P. R39.

43. Tanaka T. //Frontiers of Macromol. Sei. IUP AK 32nd Intern. Symp. On Macromolecules. Ed. By T. Saegusa, Kyoto, Japan, 1989 P. 325.

44. Matsuo S.E., Tanaka ТУ/ Nature. 1992. V. 358. P. 482.

45. Hu Z., Chen Y., Wang C., Zheng Y., Li Y.// Nature. 1998. V. 393. P. 149.

46. Suzuki A., Ishii T.// J.Chem.Phys. 1999. V.l 10. №4. P.2289.

47. Clark N.A., Meyer R.B.// Appl. Phys. Lett. 1973. V. 22. P. 493.

48. Nishikawa E., Finkelmann H., Brand H.R.// Macromol. Rapid Commun. 1997. V.18. P.65.

49. Weilepp J., Brand H.R.// Macromol. Theory Simul. 1998. V. 7. P.91.

50. Томилин М.Г. Информационные дисплеи на жидких кристаллах // Опт. журнал. 1998. Т.65. №.7. С.64-76.

51. Petera M.G. LCiDTM Technology for the Automative Market // Proc. of the 6th Annual Strategic and Technical Symposium "Vehicle Displays and Microsensors'99". Ypsilanti, USA. 1999. P.47-52.

52. Haas G. Angular Dependency of Liquid Crystal Displays // Proc. of the 19th International Display Research Conference EuroDisplay'99, Workshop. Berlin, Germany. 1999. P.5-24.

53. Van Haaren J. Foils for Enhanced Picture Quality in Liquid Crystal Displays // Proc. of the 19th International Display Research Conference EuroDisplay'99, Workshop. Berlin, Germany. 1999. P.25-62.

54. Schadt M., Schmitt К., Kozenkov V. et al. Photoalignment of liquid crystals // JpnJ.Appl.Phys. 1992. Vol.31. P.2155.

55. Schadt M. Photo-Aligned Liquid Crystal Displays and LC-Polymer Optical Films // Proc. of the 19th International Display Research Conference EuroDisplay'99. Berlin, Germany. 1999. P.27-31.

56. Tanase H., Mamiya J., Suzuki M., Nakatani H., Hatazawa Т., Watanabe T. A New Design of Coupled Prismatic Polarizer Light Pipe by Altering the Prism Apex Angle -A Theoretical Treatment // Conf. Records of the 1997 IDRC. Toronto, Canada. 1997. P.61-64.

57. Cognard J. // Molecular Crystals and Liquid Ciystals Supplement. 1982. Vol.1. P.l.

58. Lee E.S., Uchida Т., Капо M. et al. Measurement of surface energy in liquid crystal cells // SID'93 Digest. 1993. P.957.

59. Example of elements developed at INO // Promotional materials of the INO Corporation.

60. M. Foley Technical advances in microstructures Plastic Optics for Display Applications //SID'99 Digest, 1999. P. 321-324

61. Microstructures surfaces // Promotional materials of the Reed Precision Microstructures corporation. 2000.

62. New Holographic LSDs Work //The promotional materials of the Physical Optics Corporation, 2000.

63. Konovalov V.A., Lagerwall S.T., Minko A.A. et al. Technology for Making Rigid Liquid Crystal Displays // In Proc. of the 15th International Display Research Conference AsiaDisplay'95. Hamamatsu, Japan. 1995. P.421-424.

64. Konovalov V.A., Muravski A.A., Yakovenko S.Ye., Lagerwall S.T. Method for gap formation in liquid crystal displays // Proc. SPIE. 2000. Vol.4147. P.293-298.

65. Wenz R.P., Gardner T.J. Development of Microribbed Plastic LCDs // Conf. Records of the 1997 IDRC. Toronto, Canada. 1997. P.M-107 M-113.

66. Sato M., Tanaka Т., Seki H., Ishiyama M. Fine structure of microgrooves for the display system ruled by ruling system // International Liquid Crystal Conference, Sendai, Japan. 24-28 July 2000. Abstracts. 24D-1-P. P. 120.

67. Yamada F., Hellermark C., Taira Y. A development of diamond cutting and 2P replication process for direct view LCDs // Proc. of the 1st International Display Manufacturing Conference IDMC'2000. Seoul, Korea. 2000. P.261-264.

68. Wen В., Mahajan M., Rosenblatt C. // Appl.Phys.Lett. 2000. Vol.76. P.1240-1242.

69. Мясникова H.B. Дисс.канд. хим. наук. М.: МГУ, 1983.

70. Ярышева Л.М., Чернов И.В., Кабальнова Л.Ю., Волынский A.JL, Бакеев Н.Ф., Козлов П.В. // Высокомолек. соед. А. 1989. Т. 31. № 8. С. 1544.

71. Луковкин Г.М., Пазухина Л.Ю., Ярышева Л.М., Волынский А.Л., Козлов П.В., Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 1984. Т. 26. № 10. С. 2192.

72. Volynskii A.L., Bakeev N.V. Solvent Crazing of Polymers. Amsterdam: Elsevier, 1995.

73. Volynskii A.L., Bazhenov S.L., Lebedeva O.V., Bakeev N.F. // J. Matter. Sci. 2000. V.35. P.547.

74. Егоров A.M. // Физический энциклопедический словарь. M.: Советская энциклопедия, 1965. Т.4. С.42.

75. HoffN.J. // J.Appl. Mechanics. 1951. V. 18. Р.68.

76. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.

77. Перцин А.И., Пашунин Ю.М. // Высокомолек. соед. Б. 1996. Т. 38. № 5. С. 919.

78. Hinrichsen G., Adam H.G., Krebs Н., Springer Н. // Colloid and Polim. Sci. 1980. V. 258. № 3. P. 232.

79. Исаков В.Ф., Азенштейн Э.М., Николаева Н.И. // Хим. Волокна. 1974. № 4. С. 6.

80. Веттегрень В.И., Рахимов С.Ш., Светлов В.Н. // ФТТ. 1995. Т. 37. № 4. С. 913.

81. Веттегрень В.И., Рахимов С.Ш., Бакулин Е.А. // ФТТ. 1995. Т. 37. № 12. С. 3630.

82. Веттегрень В.И., Рахимов С.Ш., Светлов В.Н. // ФТТ. 1995. Т. 37. № 12. С. 3635.

83. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974.

84. Надаи А. // Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Мир, 1969.

85. Кечекьян A.C., Андрианова Г.П., Каргин В.А. // Высокомолек. соед. А. 1970. Т. 12. №11. С.2424.

86. Biot М.А. // Mechanics of Incremental Deformation. New York& Wiley, 1965.

87. Рамберг X. Моделирование деформаций земной коры с применением центрифуги. М.: Мир, 1970.

88. Волынский A.J1., Луковкин Г.М., Бакеев Н.Ф. // Высокомолек. соед. А. 1977. Т. 19. №4. С. 785.

89. Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Высокодисперсное ориентированное состояние полимеров. М.: Химия, 1984.

90. Volynskii A.L., Bakeev N.V. Solvent Crazing of Polymers. Amsterdam: Elsevier, 1995.

91. Kramer E.J., Berger L.L. // Adv. Polym. Sei. 91/92. Berlin, Heidelberg: SpringerVerlag, 1990. P. 1.

92. Пикин C.A., Блинов Л.М. // Жидкие кристаллы. M.: Наука, 1982. С.207.

93. Takashi Ito, Kazuo Nakanishi, Michinori Nishikawa et al. // Polymer J. 1995- V.27. №3. P.240-246.

94. Kirov N., Simova P. // Vibrational Spectroscopy of Liquid Crystals. Sofia, 1984. P.329.

95. Kim J.Y., Marzouk M.A., Reucroft P.J., Eloi C.C., Robertson J.D. // J. Appl. Phys.1995. V.78.№1.P.245. 99. Forrest J.A., Dalnoki-Veress K., Dutcher J.R. // Phys. Rev. E 1997. V. 56. № 5. P. 5705.

96. Rouse J.S.,Twaddle P.L.,Ferguson G.S. // Macromolecules. 1999. V. 32. № 5. P. 1665.

97. Зоненшайн Л.П.,Савостин Л.А. // Введение в геодинамику. М.: Недра, 1979. С. 311

98. Ломизе М.Г. Тектоника литосферных плит.//Энциклопедия Современное естествознание. Том 9. Науки о Земле. М.: Магистр-пресс . 2000. С. 103.

99. Богданов Ю.А., Каплин П.А., Николаев С.Д. // Происхождение и развитие океана. Москва: Мысль. 1978. С.158.1. Благодарности.

100. Автор выражает искреннюю благодарность доктору физ.-мат. наук, профессору С.Л. Баженову за проведенные им теоретические исследования.