ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Воздействие оптического и инфракрасного излучения на вещество имеет дополнительный эффект - нагрев поверхности с дальнейшим распространением температурной волны вглубь материала.

При распространении температурных волн в диэлектриках, у которых преобладает фононная теплопроводность, коэффициент теплопроводности прямо пропорционален скорости звука в веществе и обратно пропорционален частоте рассеяния фононов. Поскольку в общем случае число фононов (соответственно и вероятность их рассеяния) зависит от числа атомов, и, следовательно, от геометрических размеров образца, то даже для однородных структур должна иметь место связь теплопроводности с толщиной исследуемого объекта.

Актуальность исследования в данном направлении обусловлена тенденциями развития микро- и наносистемной техники, т.е. миниатюризацией датчиков, увеличивающимся разнообразием применений тонкопленочных покрытий и многослойных структур. Работа любого технического устройства происходит в нестационарных термодинамических условиях. При периодическом нагреве поверхности твердого тела, существенную роль играет глубина проникновения теплового потока (или температурной волны) в вещество, независящая от природы нагрева поверхности - внешнее электромагнитное излучение (оптическое, инфракрасное) или непосредственный контакт с нагреваемым телом (в стационарном или динамическом режимах). Решение этого вопроса не является очевидным, поскольку существующие на настоящий момент подходы

к распространению тепла разработаны для полуограниченных тел.

Наиболее распространенный на настоящий момент импульсный метод определения коэффициента тепловой диффузии, основанный на прохождении через вещество одиночного теплового фронта, хорошо работает только для образцов сравнительно больших толщин и не учитывает особенностей распространения температурных волн в веществе.

Целью работыявлялось установление закономерностей прохождения температурной волны через слоистые структуры и разработка нового подхода к определению тепловых характеристик материалов на основе пироэлектрических измерений.

В соответствии с целью были поставлены следующие основные задачи:

1. проведение анализа распространения температурных волн в слоистых структурах с различными термодинамическими характеристиками с использованием методов математического моделирования;

2. разработать подход к оценке тепловых характеристик диэлектрических материалов основанный на применении пироэлектрического метода прямоугольно модулированной тепловой волны (Thermal Square Wave Method at single-frequency - TSW метод [А-1]);

3. экспериментально изучить связь коэффициента температуропроводности с толщиной образца для пьезоэлектрической керамики на основе цирконата- титаната свинца (ЦТС).

Научная новизна.

Осуществлено развитие методологии прямоугольной тепловой волны с анализом пироотклика для определения теплофизических характеристик диэлектрических материалов.

Разработана математическая модель распространения температурной волны в двухслойных системах с различными теплофизическими характеристиками.

Проведена апробация нового подхода по определению коэффициентов температуропроводности и теплопроводности материалов, входящих в состав слоистых структур, содержащих сегнетоэлектрический материал.

Экспериментально показано влияние размера зерен и плотности их упаковки на коэффициент температуропроводности пьезокерамических пленок на основе цирконата-титаната свинца.

Теоретическая и практическая значимость

Разработан новый подход к определению коэффициентов температуропроводности и теплопроводности материалов, входящих в состав двухслойных структур, использующий динамический пироэффект с прямоугольной модуляцией теплового потока.

Предложенные методы можно использовать для анализа тепловых характеристик как сегнетоэлектрических, так и несегнетоэлектрических материалов в динамическом режиме, т.е. при прохождении через материал температурной волны.

Результаты, полученные в работе, дают новые представления об особенностях прохождения температурной волны через слоистые структуры.

Методология и методы исследования

Проведенные исследования базировались на методологии прямоугольной тепловой волны с анализом пироотклика, в основе которой лежит динамический метод измерения пирокоэффициента (TSW метод- Thermal Square Wave Method at single-frequency). Суть метода состоит в том, что при исследовании пироэлектрических свойств динамическим методом в образце происходит распространение температурной волны, в результате определение коэффициента температуропроводности напрямую связано с уравнением теплопроводности (значение температуропроводности находится 5

по экспериментальным данным с применением методов математического моделирования).

Положения, выносимые на защиту

• Использование пироэлектрического метода прямоугольно модулированной тепловой волны (TSWM) для анализа особенностей прохождения температурной волны через двухслойные системы с различными физическими характеристиками.

• Результаты комплексного исследования тепловых характеристик сегнетоэлектрических материалов с использованием TSW метода, основанного на сравнении экспериментальных и расчетных форм пироотклика.

• Возможность применения TSW метода для определения значений коэффициентов температуропроводности и теплопроводности несегнетоэлектрических материалов.

Достоверность результатовдиссертации обеспечивается корректной постановкой исследовательских задач; применением современных методов регистрации и обработки экспериментальных результатов; апробацией на международных и всероссийских конференциях; публикациях в рецензируемых изданиях.

Апробация результатов. XII Международная конференция по Физике диэлектриков «Диэлектрики-2011» 2011 (Санкт-Петербург); International conference of Functional materials and nanotechnologies, 2011 (Рига); Международный междисциплинарный симпозиум «Физика межфазных границ и фазовые переходы» (МФГФП1). 2011 (Ростов-на-Дону); XI международная научная конференция «Химия твердого тела: наноматериалы,

нанотехнологии». 2012 (Ставрополь); IV Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века». 2010 (Москва); 19th International Symposium on the Applications of Ferroectrics and 10th European Conference on the Applications of polar Dielectrics. 2010 (Edinburgh); Joint 6

International Symposium ISFD-11th-RCBJSF. 2012 (Екатеринбург); XX Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков. 2014 (Красноярск); Шестая Международная конференция "Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов"2015 (Москва).

Основное содержание работыопубликовано в 7 статьях во всероссийских и зарубежных реферируемых печатных изданиях, включая 5 статей в журналах из списка ВАК.

Личный вклад автора.Настоящая работа выполнялась на кафедрах Физики сегнето- и пьезоэлектриков, «Технической физики и инновационных технологий» и прикладной физики Тверского государственного университета. Диссертантом совместно с научным руководителем проводились выбор темы, планирование работы, постановка задач и обсуждение полученных результатов. При личном участии автора выполнены пироэлектрические измерения, проведены расчеты, обработаны полученные результаты.

Работа по теме диссертации проводилась в соответствии с тематическими планами НИР, в рамках ведомственной исследовательской программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (РНП 2.1.1.3674, 2006­2008 гг.; ГК от «12» мая 2010 г. № П413, 2010-2012 г.г.); проектной части государственного задания Министерства образования и науки РФ №11.1937- 2014/К.

Структура и объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 112 страниц основного текста, 49 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 140 наименований.