ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОВ ФОТОАКУСТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Как известно, лазерный фотоакустический (ФА) метод появился после открытия мощных когерентных источников оптического излучения - лазеров, во второй половине прошлого столетия [2]. В настоящее время лазерный ФА метод, как универсальный, оперативный, бесконтактный, высокочувствительный и высокоинформативный метод успешно применяется при исследовании фундаментальных физических (теплофизических, оптических, структурных и др.) свойств различных веществ.

Основные закономерности физических процессов происходящих при лазерной ФА методе, а также области его прикладного применения, наиболее подробно отражены в фундаментальных научных трудах [1-8].

Теория лазерного ФА метода с косвенной схемой регистрации сигнала при исследовании конденсированных сред впервые и наиболее подробно изложена в работе [8]. Результаты данной теории, которая к настоящему времени стала классической и часто именуется как RG-теория, вполне удовлетворительно описывают экспериментально полученные искомые зависимости параметров ФА сигнала от оптических, теплофизических, акустических и др. свойств образцов в диапазоне температуры от комнатных до близких точкам фазовых превращений образцов.

Экспериментальная установка, характерная для ФА исследования твердотельных образцов, состоит из нескольких основных принципиальных блоков: 1) источника оптического излучения (He-Ne или Ar⁺ -лазер), 2) модулятора оптического излучения, 3) ФА-ячейки (камеры) с измерительным микрофоном, 4) системы обработки ФА сигнала: усилитель, синхронный усилитель, ПК с соответствующим программным обеспечением (рисунок 1).

В качестве объектов исследования (образцов) выбраны две группы углеродных нанокомпозитных тонких полимерных пленок. Выбор данных образцов, безусловно, связан с актуальностью и интенсивностью развития новых перспективных композитных полимерных материалов с улучшенными (заранее заданными) физико-химическими свойствами. Внешний вид обеих групп исследуемых образцов показан на рисунке 2.

Рисунок 1. Блок схема экспериментальной установки

1) ПЭНП (чистый)- исходный, без добавок;

2) ПЭНП+1% Фуллерен C₆₀ ;

3) ПЭНП+3% Фуллерен C₆₀;

4) ПЭНП+5% Фуллерен C₆₀;

5) ПЭНП+10% Фуллерен C₆₀.

Исследуемые образцы пленок фуллереносодержащего полиэтилена получали путем горячей отливки смесей растворов ПЭНП (ГОСТ 16337-77, Россия) и фуллерена чистотой 99,7% в толуоле при 80⁰С в стеклянной кювете с последующей сушкой при этой же температуре в течение 24 часов.

Вторая группа. Образцы нанокомпозитных тонких полимерных пленок на основе полиметилметакрилата (ПММА) в качестве матрицы и углеродные наночастицы фуллерена С₆₀ (в качестве добавляемой компоненты):

1) ПММА, чистый (без добавок);

2) ПММА+0.5% С₆₀;

3) ПММА+1% С₆₀;

4) ПММА+3% С₆₀;

5) ПММА+5% С₆₀.

Рисунок 2. Внешний вид и геометрические размеры исследуемых образцов

Результаты экспериментально полученных значений коэффициента температуропроводности для исходных (чистых) образцов в сравнении с литературными приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Коэффициент температуропроводности для исходных (чистых) образцов

Анализируя экспериментально полученные зависимости параметров ФА сигнала (амплитуды, фазы и частоты), в частности, от коэффициента температуропроводности ( ), можно определить и другие фундаментально важные значения теплофизических параметров: коэффициенты теплопроводности , теплоемкость  или плотность образцов. В частности, в таблице 2 и на рисунках 3, показаны некоторые полученные результаты для исследуемых образцов.

Таблица 2

Некотрые физические характеристики исследуемых образцов

Рисунок 3. Зависимость амплитуды и фазы ФА сигнала от частоты модуляции для образцов ПММА и ПЭНП

Таким образом, показано, что лазерный ФА метод с косвенной схемой регистрации, успешно можно применять для определения ряда фундаментально важных теплофизических свойств углеродных нанокомпозитных тонких полимерных материалов. Полученные результаты имеют важные фундаментальные и прикладные значения при дальнейших исследованиях и применении данных материалов.