Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://chem.msu.ru/rus/vmgu/002/93.pdf Дата изменения: Tue Sep 12 02:28:36 2000 Дата индексирования: Sun Apr 10 02:33:23 2016 Кодировка: Windows-1251

ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2000. Т. 41. ? 2

93

УДК 539.67:621.315.592

ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ В КВАРЦЕВОМ СТЕКЛЕ ПРИ УМЕРЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Б. С. Лунин, С. Н. Торбин (кафедра физической химии) В работе приведены результаты исследования акустической добротности полусферического резонатора на частоте 8,4 кГц в диапазоне температур от 80 до 300њ. Максимум акусти7 ческой добротности (5,610 ) достигается при температуре 105њ. Исследованию процессов внутреннего трения в кварцевых стеклах по священо большое количе ство работ [1 6]. Наиболее подробно внутреннее трение изучали при низких температурах, когда оно определяет ся в о сновном структурной релаксацией явлением, характерным для стеклообразного со стояния. Значительно менее изучены природа и механизмы внутреннего трения при умеренных температурах (от 100 до 300њ), хотя эта температурная область является рабочей зоной для большинства современных приборов, использующих механические резонаторы из кварцевого стекла (авионика, элементы гравитационных антенн и т. д.), и поэтому с прикладной точки зрения представляет наибольший интерес [7]. Установление факторов, определяющих в этих условиях акустическую добротность таких резонаторов, позволяет прогнозировать характеристики оборудования, а также усовершенствовать технологические процессы при его изготовлении. Кроме того исследование механизма акустических потерь при умеренных температурах может дать информацию о состоянии поверхности стекла и характере структурных дефектов материала, что представляет фундаментальный научный интерес. Цель данной работы состояла в экспериментальном исследовании внутреннего трения в чистом кварцевом стекле КУ-1 в интервале температур от 80 до 300њ. Данный сорт кварцевого стекла (тип III [8]) изготавливается путем гидролиза тетрахлорида кремния в водородно-кислородном пламени и характеризуется высокой химической чистотой (суммарная концентрация приме сей, кроме ОН-групп, ~10 ммоль ), отсут ствием мелкозернистой неоднородно сти и значительным содержанием гидроксильных групп (около 1000 ммоль).

Рис. 2. Конст рукция из мерительной ячейки

Рис. 1. Конструкция полус фериче ского ре зонатора.

В эксперименте мы исследовали акустическую добротно сть полус фериче ского ре зонатора волнового твердотельного гироскопа, изготовленного из этого стекла миасским научно-производственным предприятием 'Медикон'. Конструктивно полусферический резонатор (рис. 1) представляет собой тонко стенную (толщина около 1 мм) полусферическую оболочку 1 диаметром 30 мм с крепежной ножкой 2, проходящей чере з полюс полус феры [9]. Благодаря высокой массовой сбалансированности потери энергии упругих колебаний через крепежную ножку практиче ски от сут ствуют, что делает т а кой ре зонато р чрезвычайно удобным для проведения акустических измерений, а высокое соотношение поверхность/объем позволяет исследовать не только акустические свойства самого кварцевого стекла, но и влияние поверхности на диссипационный проце сс. Частота изгибных колебаний оболочки определяется модой колебаний: в наших опытах использовалась 2-я, низшая мода колебаний (~8,4 кГц). Методика эксперимента была аналогична описанной в [10]. Эксперимент проводили в вакуумной термокамере (рис. 2). Полусферический резонатор 1 устанавлива лся в конусно е отверстие подст авки 2 . На этой подставке расположены две пары электродов 3 и 4 , предназначенных для в озбуждения и измерения изгибных ко лебаний по л у с фериче с кой обо л о чки. Те р мопара 5 (медьконст ант ан) позв оляет измерять температу ру пов ерхно сти ре зонатора. Вся конст р укция раз мещается внутри кварцевой вакуумной камеры 6, снаружи камеры устанавливается электронагреватель или холодильник, охлаждаемый жидким азотом (7). На резонансной частоте f возбужда лись изгибные колебания оболочки с амплитудой около 0,1 мкм, затем с помощью емко стного датчика, образованного парой электродов 4, измерялось время затухания свободных колебаний . Акустическую добротность (Q) резонатора определяют по формуле Q = f. Точность определения (и соответ-

11 ВМУ, Химия, ? 2


94

ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2000. Т. 41. ? 2 рактеристики ре з онат ора. То чно сть определения температуры при этом со ставляла около 3њ. Перед измерениями резонатор подвергался специальной химиче ской обработке для удаления нарушенного поверхностного слоя, возникающего в процессе изготовления резонатора, а также термообработке для удаления атмосферной воды, сорбированной поверхностью [11]. На рис. 3 показаны полученные экспериментальные значения акустиче ской добротно сти. Хорошо видно, что макс имум акустиче ской добротно сти до стигает ся при 7 температуре 105њ и составляет 5,610 . Рост внутреннего трения при более низких температурах связан, очевидно, с проце ссом структурной релаксации, это высокотемпературное крыло пика внутреннего трения с максимумом при температуре около 50 К. Природа потерь внутреннего трения справа от максимума добротности неочевидна. Здесь влияющими факторами могут быть примеси, поверхностные и объемные структурные дефекты, структурная вода, а также высокотемпературный фон. Эта область продолжает оставаться объектом дальнейших исследований. Авторы выражают благодарно сть Б. П. Бодунову, директору НПП 'Медикон' (Миасс), за предо ст авленный для исследований полусферический резонатор.

Рис. 3. Добротно сть пол у с фериче с кого ре з онат ора в диапазоне температур от 80 до 300 њ

ственно Q) составляла около 3%. Температура резонатора рассчитывалась по его резонансной частоте на основании предварительно измеренной температурно-частотной хаСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Anderson O.L., Bommel H.E.// J. Amer. Ceram. Soc. 1955. 38. Р. 125. 2. Fine M.E., Duyne H.V., Kenney N.T. // J. Applied Physics. 1954. 25. Р. 402. 3. Marx J.W., Sivertsen J.M. // J. Ap. Phys. 1953. 24. Р. 81. 4. Anderson W.P., Halperin B.I., Varma C.M. // Phyl. Mag. 25. 1972. Р. 1. 5. Hunklinger S., Arnold W., Stein St., Nava R., Dransfeld K. // Phys. Let. 1972. 42A. Р. 253. 6. Fraser D.B. //J. Ap. Phys. 1970. 41. Р. 6. 7. Startin W.J., Beilby M.A., Saulson P.R. //Rev. Scientific Instruments. 1998. 69. Р. 3681.

8. Bruckner R. //J. Non-Cryst. Solids. 1970. 5. Р. 123. 9. Bodunov B.P., Lopatin V.M., Lunin B.S. // 2nd Saint Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, May 2425, 1995. Saint Petersburg, 1995, part II, Р. 89. 10. Lunin B.S., Torbin S.N., Danchevskaya M.N., Batov I.V. // Moscow University Chemistry Bulletin. 1994. 49. Р. 19. 11. Lunin B.S., Torbin S.N., Smirnov V.N. //XVIII International Congress on Glass, July 510, 1998, San Francisco, Proceeding, D3. Р. 36.
Поступила в редакцию 19.01.99