廣義Arrhenius關(guān)系及其在材料研究中的應(yīng)用.pdf

1、非Arrhenius現(xiàn)象是凝聚態(tài)、材料物理和軟物質(zhì)領(lǐng)域中一個廣為關(guān)注的熱點問題，它涉及到微觀及介觀體系弛豫過程的物理本質(zhì)，特別是軟物質(zhì)中的熵本質(zhì)，具有學(xué)科的前沿性和明顯的科學(xué)意義。弛豫過程中弛豫時間T隨溫度變化的規(guī)律為線性時，可以用Arrhenius方程來描述，若為非線性時，則稱為非Arrhenius現(xiàn)象。非Arrhenius現(xiàn)象是一個非常廣闊的領(lǐng)域，牽涉到多個學(xué)科的交叉，對它的研究仍是一個未解決的問題。 本文以弛豫熱力學(xué)和動力

2、學(xué)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出可以用來描述非Arrhenius現(xiàn)象的一級近似的廣義Arrhenius方程，并將其應(yīng)用到幾個典型非Arrhenius現(xiàn)象的體系中去，定量的得到了組態(tài)熵在弛豫過程中所占的比重(組態(tài)熵與激活焓的比值)。弛豫元之間的相互作用強度用引入的參數(shù)T<,c>(自發(fā)有序溫度)來表征，當弛豫元之間不存在耦合時，T<,c>=OK，這時廣義Arrhenius方程回歸到線性Arrhenius方程的形式。按照廣義Arrhenius方程，可以從實驗

3、數(shù)據(jù)(如力學(xué)譜或介電譜)中求得弛豫過程中的激活焓△H及組態(tài)熵的改變量△S等重要參數(shù)。 本文除了對文獻中的部分非Arrhenius現(xiàn)象進行了討論外，還對氧空位在鈦酸鋇晶體中的有序一無序弛豫現(xiàn)象和高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象這兩類典型的非Arrhenius體系進行了實驗研究。 氧空位在經(jīng)典鐵電體材料鈦酸鋇晶體中的弛豫屬于點缺陷弛豫的范疇。我們用動態(tài)力學(xué)方法和介電方法對多晶和單晶的鈦酸鋇樣品進行研究后發(fā)現(xiàn)：氧空位之間無耦合作用時

4、，氧空位的弛豫只能是在A，B位置之間跳動，其弛豫的表觀激活自由能△G等于激活焓(弛豫過程的位壘高度)△H，我們得到的大小為0．61±0．02eV，并可進一步求出參與弛豫過程的氧空位濃度；當氧空位之間存在耦合時，其表觀激活自由能△G明顯小于無耦合作用時的激活焓，且與樣品的熱歷史有關(guān)。經(jīng)過廣義Arrhenius方程分析后可得知，不管弛豫元間是否存在耦合，弛豫激活焓△H都不變，表觀激活自由能△G的降低是因為組態(tài)熵的貢獻所致。 高分子材

5、料的玻璃化轉(zhuǎn)變是一種松弛(弛豫)過程，其核心問題是松弛(弛豫)的時間對溫度的依賴性。雖然某些結(jié)論因為高分子弛豫的微觀機制的復(fù)雜性而不再適用，但不妨礙用廣義Arrhenius關(guān)系處理玻璃化轉(zhuǎn)變弛豫過程。本文用廣義Arrhenius關(guān)系對無定型聚丙烯等材料在玻璃化溫度附近的力學(xué)弛豫譜數(shù)據(jù)進行了處理，得到真實激活焓△H大小。作為對各種材料中非Arrhenius實驗結(jié)果分析的總結(jié)，本文提出了一種將弛豫時間和溫度歸一化后的廣義Arrhenius圖