Введение к работе
Состояние и актуальность проблемы. Создание новых материалов : наперёд заданными диэлектрическими свойствами является одной из амых актуальных задач современной физико-химической науки и ехнологии, которые идут по пути создания высококачественных лектроизоляционных многокомпонентных диэлектрических материалов,-пособных работать в широком спектре частот и при критических нешних воздействиях. Сведения о диэлектрических свойствах веществ
материалов необходимы в научных исследованиях при изучении стро-ния вещества, определении молекулярных и атомных констант (поля-изуемости, время релаксации, дипольный момент и др.). При этом иэлектрическая проницаемость ( 2 ) является наиболее универсальной арактеристикой вещества, отражающей его структуру, а дисперсия
- механизмы поляризации и характер молекулярного движения сос-авляющих вещество частиц, оцениваемого временем релаксации Ґ . Развитые Лоренцем и Дебаем представления о связи поляризуе-ости оС , как способности частиц вещества к поляризации под дей-гвием переменного электрического поля Е, с наведённым дипольним эментом р ({? *еб) и о дипо льном моменте как мере асимметрии
распределении положительных и отрицательных зарядов в молекуле /t/*p) получили широкое применение в химии как метод структурно-шического анализа. При этом общая поляризация диэлектрика выра-ается уравнением Дебая /7 - —z—(< + , ~ J Располагая гими величинами koi. л? ), можно сделать определённые выводы о гео-зтрии молекулы и распределении электронных зарядов s молекуле.
Таким образом, исследование поляризационных явлений в вещест-з в широком диапазоне частот, развитие методов обработки и иден-іфикации релаксационных спектров является методологической осно->й и мощным инструментом познания физико-химических свойств и
Зон—и
исследования структуры вещества. Диэлектрическая проницаемость, входящая в материальные управления электродинамики, представляет наибольший интерес для физико-химии, поскольку она непосредственн связана с молекулярной"структурой вещества. Исследование диэлектрической дисперсии и релаксации дает сведения о характере распределения времени релаксации t и закономерностях процесса установления релаксационной поляризации, об 'энергетических характеристиках диэлектриков и их характеристических частотах, связанных с различными формами теплового движения молекул. Это, в свои очеред позволяет исследовать кинетику химических реакций, определить вид химической связи и характер межмолекулярных взаимодействий.
Направленный характер дисперсии позволяет исследовать и выделить составляющие общей поляризации, связанные с характерными движениями диполей, ионов, атомов и электронов, что дает возможность прогнозировать поведение диэлектрических веществ и материалов в широком диапазоне частот.
Логика развития современной науки показывает, что углубление наших представлений о фундаментальных свойствах веществ во многом определяется возможностями метрологии и измерительной техники. Все более точные теоретические представления и уточнения известны закономерностей во взаимосвязи диэлектрической проницаемости и физико-химической структуры вещества могут появляться только при соответствующих достижениях в области практической диэлькометрии, т.е. создании высокоточных методов и средств измерений параметров диэлектриков.
Создание эталонных измерительных средств, охватывающих широкий частотный диапазон (10-10^ Гц), наиболее целесообразно осуществлять на основе веществ-носителей диэлектрических свойств, исследованных в заданных диапазонах частот, температур и давлений
3 связи с этим необходимо решить проблему исследования диспе;
їй 6 ряда твёрдых, жидких и газообразных веществ в полях ниэ-IX и сверхвысоких частот, разработать методологии нахождения зйствительного вида функции распределения времени релаксации, ^следовать механизмы дисперсии и релаксации в исследованном диа->зоне частот и их связь с соответствующими видами молекулярного іижєния, оценить возможность использования исследованных вещестз составе эталонных комплексов* а также в качестве образцовых мер !личины диэлектрической проницаемости. На защиту выносятся:
1. Высокоточные данные о дисперсии неполярных и полярных
[электриков в различных агрегатных состояниях и широком диапазо-
і частот (10-10 Гц).. Новые результаты исследований механизмов іляризации в полярных веществах (хлорбензол, ацетон, вода) и іязь их с сооответствующими видами молекулярного движения.
2. Принцип построения эталонных комплексов и система переда-
I размера на основе веществ-носителей диэлектрических
юйств, методология оценки дисперсии диэлектрической проницае-
істи и нахождения функции распределения времени релаксации в
[роком диапазоне частот на основе дискретных преобразований
рье как метода изучения молекулярной структуры и динамики конвоированного состояния вещества.
-
Диэлектрическая релаксация молекул воды в различных аггчтат-х состояниях т, газообраэом, жидком и квазитвёрдом; аномальные электрические свойства плёночной водынэ твёрдой подложке.
-
Комплекс высокоточных средств измерений диэлектрической оницаемости, стандартные образцы , обеспечивающие наивысшую чность диэлектрических измерений в диапазоне частот 10-10 Гц.
-
Создание единого научного комплекса и дальнейшее совершен-вование диэлектрических измерений как научной основы для звития СВЧ гигрометрии, дисперсионной, спектроскопии, СВЧреф-ктометрии, стабилизации частоты на.основе дисковых-диэлектриг
ческих резонаторов, определение молекулярных констант диэлектриков (дипольний момент, поляризуемости , время релаксации).
Научная новизна. На основе высокоточных исследований диспе сии S неполярных и полярных диэлектриков в различных агрега ных состояниях оценены механизмы дисперсии и релаксации исследованных веществ в широком диапазоне частот. Установлен разброс времени релаксации для жидкой воды (о~ 0,05), что объяснено механизмом релаксации водородных связей. Время релаксации и, соответственно, скорость тепловых движений молекул воды для газооб
о 9
разного, жидкого и твёрдого состояний отличаются от 10 до 10 раз. Установлено, что дисперсия диэлектрической проницаемости хлорбензола может быть описана суперпозицией двух областей -дебаевской и резонансной.
Предложен численный метод обработки дисперсионных спектров , позволяющий расширить возможности диэлектрического метода.
Впервые предложен подход к построению эталонного комплекса на основе оптимального набора веществ-носителей номинальных значений диэлектрической проницаемости, исследованных в заданных диапазонах частот, температур и давлений. При этом воспроизведение размера осуществляется на одной наиболее предпочтительной частоте, отвечающей условию достижения наивысшей точности измерения диэлектрической проницаемости. Оценка дисперсии в заданном диапазоне частот позволяет распространить установленный размер диэлектрической проницаемости на весь частотный диапазон.
Разработан новый резонаторний метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости, позволяющий довести чувствительность определения полярных жидкостей до величины-г-'= 0,05%.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные резул
таты о дисперсии в широком частотном диапазоне позволяют б
)ценить применимость материалов в качестве конструкционных в юлях низких, высоких и сверхвысоких частот, возможность использования их в метрологических целях, в частности, в качестве образцовых мер и эталонов . Высокая достигнутая точность (10 * г 10 ) и чувствительность (до 10 ) позволили поставить работы ю определению структурных параметров диэлектриков (время релаксации , дипольный моменту , поляризуемость вС ).
Предложенный численный метод расчёта функции распределения зремени релаксации позволяет существенно упростить и повысить юстоверность интерпретации дисперсионных спектров , что рас-шряет наши возможности в описании частотных зависимостей ъ ііГ.
Полученные данные используются при разработке высокочувствительной аппаратуры для структурных исследований, измерения параметров водных растворов и плёнок, для решения научных и практи-іеских задач химии, биологии, материаловедения, при технологическом контроле, в связи с работами по дистанционному зондированию юверхности Земли радиофизическим методами и др.
При этом созданы и внедрены: Государственные специальные талоны единицы относительной диэлектрической проницаемости жид-сих и твёрдых диэлектриков в диапазоне частот 10-10 Гц (ГОСТ >.403-80) и Ю9*Ю10 Гц (ГОСТ 8.274-78), образцовые установки ;ля поверки ВЧ и СВЧ диэлькометров, Государственные стандартные >бразцы диэлектрической проницаемости жидких и твёрдых диэлект-)иков с рядом номинальных значений от 2 до 80, стандартные шравочные данные по диэлектрическим свойствам полярных жидкостей (хлорбензол, ацетон, и вода), высокоточные средства измерений диэлектрической проницаемости жидких и твёрдых (диски, стержни, юдлокки) диэлектриков в диапазонах 10-10 Гц, измерительные яейки ЭС-IT, ЭС-1Ж, ЭС-2Ж, ЭС-1И, ИЯМТ и ИЯМЖ, ОР-ЗМ, ячейка
: двумя средами и др.
Разработанные средства измерений і и і$~ (сеншє 10 разработок) и измерительные ячейки стандартизованы и организован их выпуск.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на П, Ш, ІУ и У Всесоюзных научно-технических конференциях "Методы и средства измерения электромаг нитных характеристик радиоматериалов на ВЧ и СВЧ" (Новосибирск 1972, 1975, 1979, 1983), Международном Симпозиуме "Стандартные образцы в системе метрологического обеспечения качества материалов, здравоохранения и охраны окружающей среды" (Харьков 1979), Всесоюзных научных конференциях "Электрические свойства молекул" (Харьков 1971, Казань 1986), ІУ Всесоюзном Совещании по оптической керамике (Москва 1979), ІУ, У и УІ Всесоюзных ШК "Метрология в радиоэлектронике (Москва 1978, 1981, 1984), Всесоюзной конференции по метрологии и технике точных измерений (Тбилиси 1971), У Всесоюзной НТК по гигрометрии (Кутаиси 1973), Ш Международной конференции "Автоматизированные системы Управления в химической промышленности" (НРБ Бургас 1973), П Всесоюзном совещании по теоретической метрологии (Ленинград 1983), У Всесоюзной конференции по поверхностным силам (Москва 1972).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 79 печатных работ, два ГОСТа, получено 7 авторских свидетельств на изобретения. Ее основное содержание и новые положения отражены в 23 публикациях.
Автору принадлежит научное руководство направлением, общая постановка проведенных исследований, интерпретация данных и обобщение полученных результатов, а также часть экспериментальны измерений, выполненных им лично. 3 диссертации используются результаты, полученные совместно с соавторами (В.А.Валенкевичем, М.В.Кащенко, А.П.Щербаковым, Т.В.Отрошок, А.А.Потаповым и др.),
а также результаты кандидатских диссертаций Е.Л.Мецнера и З.Н.Егорова, выполненных под руководством автора. Всем им приношу искреннюю- благодарность і
Объем и структура работы. Диссертация выполнена в форме научного доклада и состоит из введения, 3 разделов, общих выводов и списка литературы ( &6 ссылок). Она изложена на Л" стр., включает -14 рис. и ?- таблиц.
Похожие диссертации на Механизмы, методология и метрология исследований дисперсий диэлектрической проницаемости газообразных, жидких и твердых веществ в широком диапазоне частот
