Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (другой скан) (1157043), страница 81
Текст из файла (страница 81)
375 численные материалы современной техники: сплавы, строительные материалы, керамика, сорбенты, катализаторы, пенопласты и лругие пеноматериалы, раскристаллизованные стекла (ситаллы) и т. д. К системам с твердой дисперсионной средой в известной мере можно отнести ткани растений и животных и особенно кости. Костная ткань образована сверхтонкими кристаллами гидрофосфата кальция (апатита), обладаощи ми прочностью, близкой к теоретической; эти кристаллы ар мируют своеобразные структуры фибрилл коллагена, представляющие собой спирали, «навитые» с разным шагом и в различных направлениях. Многие из этих систем подробно изучаются в физическом материаловедении, физике металлов и других дисциплинах. Зто связано как с чрезвычайным разнообразием подобных систем, так и с тем, что их свойства (особенно механические) существенно отличаются от свойств систем с жидкой дисперсионной средой.
Между тем изучение про ессов образования подобных систем и закономерностей их взаимодействия со проц ссов о средой отвечает общим задачам коллоидной химии. Образование систем с твердым каркасом часто является результатом нарушения агрегативной устойчивости суспензий и волей, приводящего к развитию пространственных структур и превращению дисперсной системы в материал с ценными механическими свойствачи (см !Х.2). В некоторых случаях (например, при твердении металлов и сплавов) эти процессы струкчурообразования происходят одновременно с выделением новых высокодисперсных фаз.
Системы с твердой дисперсионной средой образуются и при отвердевании срелы в пенах, эмульсиях, суспензиях и эолах. Высокая вязкость дисиерсион ной среды приводит к тому, что процесс собирательн й рекристаллизации, связанный с диффузионным переносом вещества включений через твердую среду, является основным и обычно единственным механизмом измен- епня ди сне рсности фаз в подобных системах, причем из-за низких значений ко эффи циентов диффузии компонентов изменение дисперсности протекает с крайне малыми скоростями; заметная скорость этих процессов достигается лишь при достаточно высоких температурах.
Успешное распространение общих коллоидно-химических представлений на такие системы связано в большой мере с выделением новой крупной области науки — физико-химической механики (см. гл. 1Х). ГЛАВА (Х ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ Процессы нарушения агрегативной устойчивости дисперсных систем (см.
гл. УП, У1П) приводят к их разделению на макрофазы или к развитию в объеме системы пространственной сетки-структуры, т. е. к переходу свободнодисперсной системы в связнодисперсную, в которой силы сцепления в контактах между частицами достаточно велики, чтобы противостоять тепловому движению и внешним воздействиям. При этом наблюдается радикальное изменение дисперсной системы, которая приобретает комплекс новых структурно-механических (реологических) свойств, характеризующих ее способность сопротивляться деформации и разделению на части.
Система приобретает механическую прочность — главное свойство всех твердых тел и материалов, определяющее их роль в природе и технике. Закономерности структурообразования в дисперсных системах, механические свойства структурированных систем и получаемых на их основе разнообразных материалов с особым вниманием к роли Физико-химических явлений на границе раздела фаз изучает обширный самостоятельный раздел коллоидной химии, названный физико-химической механикой. Физико-химическая механика возникла в 30 — 40-х годах ХХ века и оформилась как самостоятельная научная дисциплина в 50-е годы в основном в трудах советских ученых и прежде всего академика П.А.
Ребиндера с коллективом его учеников и последователей. Объекты исследования и приложения Физико-химической механики широки. Сюда входят такие природные объекты, как горные породы и почвы, ткани живых организмов, а также всевозможные дисперсные системы в химико-технологических процессах (пасты, порошки, суспензии), различные материалы современной техники. Разнообразие объектов обусловлено универсальностью дисперсного состояния вещества и универсальной ролью механических свойств, когда важна высокая прочность (материала, конструкции, грунта и т.
д.) и, напротив, когда требуется преодолеть сопротивление деформации и разру- 377 шению (процессы перемешивания, формования, измельчения, механической обработки). Среди дисперсных систем и материалов особенно важны высокодисперсные, прежде всего наносистемы с размером частиц 1 — 100 нм. Обеспечение высокой днсперсности (и предельно возможной однородности микрогетерогенной структуры) лежит в основе всех главных путей повышения прочности и долговечности материалов. Вместе с тем именно в тонкодисперсных системах с их высокоразвитой межфазной поверхностью обеспечивается наиболее интенсивное протекание многочисленных гетерогенных химико-технологических процессов, массо- и теплообмена.
Однако именно высокодисперсные системы труднее всего поддаются формованию вследствие большого числа контактов между частицами, сцепление которых представляет собой проявление поверхностных физико-химических взаимодействий. Наиболее эффективное управление свойствами системы достигается оптимальным сочетанием механических воздействий (в частности, вибрационных) и Физико-химических методов регулирования молекулярных взаимодействий на межфазных границах с помощью среды и поверхностно-активных веществ. Изучая связь механических свойств дисперсных систем и материалов с их структурой и явлениями, происходящими на границах раздела фаз, физико-химическая механика разрабатывает на этой основе новые пути управления структурой и механическими свойствами твердых тел и материалов. П.А. Ребиндер так определял главные задачи физико-химической механики: «Они сводятся к изучению физико-химических закономерностей и механизма деформационных процессов и разрушения твердого тела (в зависимости от его состава и структуры, влияния температуры и внешней среды) и процессов структурообразования (развитие пространственных структур, образующих твердое тело с заданными механическими свойствами)» (см.
[11], с. 31). В данной главе описание механических свойств различных жидко- и твердообразных тел и материалов ведется с позиций реологии. Рассматриваются закономерности возникновения, природа и основные характеристики контактов между частицами в структурированных системах. На основе этихдвух подходов анализируются характерные механические свойства реальных дисперсных систем и пути управления ими. Значительное внимание уделено эффекту Ребиндера — адсорбционному влиянию среды на механические свойства твердых тел ]11]. 378 1Х.1. Способы описания механических свойств. Основы реологии Исследование механических свойств твердых тел и жидкостей показывает, что существует общность законов, описывающих механическое поведение тел различной природы.
Обычно выделяют несколько простейших видов механического поведения, комбинируя которые, можно приближенно описать более сложные механические свойства реальных тел. Науку, формулирующую правила и законы обобщенного рассмотрения механического поведения твердо- и жндкообразных тел, называют реаеогией (от греч. раасом — течение, )соуосг — учение). Основным методом реологии является рассмотрение механических свойств на определенных идеализированных моделях, поведение которых описывается небольшим числом параметров. Обычно ограничиваются простым напряженным состоянием чистого однородного сдвига и малыми скоростями деформации (квазистационарными режимами)'.
Выделим в рассматриваемом физическом теле кубике единичным ребром. Пусть к противоположным сторонам этого кубика приложена касательная сила Р, которая создает числен- у норавноеей напряжение сдвига т (рис. 1Х-1). Под действием напряжения сдвига происходит деформация кубика, т. е. смещение т его верхней грани по отношению к нижней на ВЕЛИЧИНуу. ЭтОСМЕщЕНИЕЧИСЛЕННОраВНОтаи- Рис. 1Х-1.
Возннановегенсу угла отклонения боковой грани, т. е. ат- действием напряжения насительнойдеформации сдвига у; при малыхде- сдвига т формациях гяу у. Связь между величинами напряжения т, деформации у и их изменениями во времени есть выражение м е х а н и ч е с к о г о п о в е д е н и я, составляющего предмет реологнн. Обычно рассмотрение начинают с трех простейших моделей механического поведения: упругого, вязкого и пластического.
1. У п р у го е п о в еде н не характеризуется прямой пропорциональностью напряжений и деформаций и описывается законам Гука: ' Смп Рейнер М. Реология. Мп Наука, 1965. 379 Здесь модуль упругости О представляет собой модуль сдвига', Н/м', т — напряжение сдвига, Н/м'. Графически закону Гука отвечает прямая линия на рис. 1Х-2, проходящая через начало координат, котангенс угла наклона которой относительно оси абсцисс равен модулю Ст. Характерной особенностью идеализироРис.
1Х-2. Упругая леформапия ванного упругого поведения является его полная механическая и термодинамическая обратимостгс при снятии нагрузки немедленно восстанавливается первоначальная форма тела, и не происходит никакой диссипации (рассеяния) энергии в процессах нагружения и разгружения тела. Энергия, запасаемая единицей объема упруго деформируемого тела, определяется выражением тз (1Х.1) В',= Ь(у)йу= — = —. 2 2О Моделью упругого поведения служит пружина, жесткость которой, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
