Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 81
Текст из файла (страница 81)
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 свойсгв, 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 дисперсности (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, [1Ц, 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 этих двух 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 [1Ц.
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 жидкообразных тел, называют реологией (от греч.
рвозо — течение, коуоо — 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 ре- е жимами) . Выделим в рассматриваемом физическом теле кубик с единичным ребром. Пусть к противоположным сторонам этого кубика приложена касательная сила Г, которая создает числен- у норавноеей напряжение сдвига т (рис.
1Х-1). Под действием напряжения сдвига происходит деформация кубика, т. е. смещение его верхней грани по отношению к нижней на величину у. Это смещение численно равно тангенсу угла отклонения боковой грани, т. е. от- действием напряжения носительной деформации сдвига у; при малых деформациях !йу = у. Связь между величинами напряжения т, деформации у и их изменениями во времени есть выражение механического поведения, составляющего предмет реологии.
Обычно рассмотрение начинают с трех простейших моделей механического поведения: упругого, вязкого и пластического. 1. Упругое по не де н и е характеризуется прямой пропорциональностью напряжений и деформаций и описывается законом Гука: ! Смс Рейнер М. Реояогия. Мс Наука, !965. 379 у т = Оу. 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 О. Характерной особенностью идеализироРис. ГХ-2. упругая деф р и ванного упругого поведения является его полная механическая и термодинамическая обратимость: при снятии нагрузки немедленно восстанавливается первоначальная форма тела, и не происходит никакой диссипации (рассеяния) энергии в процессах натруженна и разгружения тела.
Энергия, запасаемая единицей объема упруго деформируемого тела, определяется выражением Оу т (1Х.1) В' в= Ь(у)бу= — = —. 2 2О Моделью упругого поведения служит пружина, жесткость которой, т. е. отношение силы к вызванному этой силой удлинению пружины Г/Ы, эквивалентна модулю упругости данного тела (рис. 1Х-З). Упругое поведение при сдвиге свойственно прежде всего твердым телам. Природа упругости заключается в обратимости малых деформаций межатомных (межмолекулярных) связей. В пределах малыхдеформаций потенциальная кривая взаимодействия аппроксимируется квадратичной параболой, этому отвечает линейная зависимость т (у). Модуль упругости зависит от характера взаимодействий в твердом теле и составляет, например, для молекулярных кристаллов - 10 Н/м, для металлов и ковалентных кристаллов - 10 ' Н/м и более.
При этом модуль упругости лишь слабо зависит или практически не зависит от температуры. Вместе с тем упругость может иметь и совершенно иную, энтропийную природу. Так, под действием приложенного напряжения проИСХОдИт ОрИЕНтацИя СЕГМЕНТОВ МаКрОМОЛЕКУЛ рис. ГХ-3. Модель упили частиц-пластинок в суспензии глины, со- ругого повеления 1 В реологии конденсированных систем модуль сдвига гз используготчасго в качестве елинственной характеристики упругости.
В механике сплошных (изотропных) сред показано, что модуль сдвига гз твердоподооных тел составляет — 2/5 модуля Юнга Е. 380 провождающееся уменьшением энтропии. В этом случае стремление тела к восстановлению первоначальной формы связано с тепловым движением, нарушающим такую ориентацию. При этом модуль упругости (энтропийной эластичности) мал и существенно зависит от температуры. Модуль упругости выражают в Н/м, что эквивалентно Дж/м~. г Это означает, что формально модуль упругости может рассматриваться согласно (1Х.1) как удвоенная упругая энергия, запасаемая единицей объема при единичной деформации (если бы была возможна такая стопроцентная деформация).
Важно подчеркнуть, что при данном напряжении т в соответствии с (1Х.1) тело накапливает тем большую плотность упругой энергии, чем ниже его модуль О. Реально упругая деформация твердых тел наблюдается лишь до некоторого предельного значения напряжения т„ выше которого происходит разрушение (в случае хрупкого тела, для которого предел упругости отвечает его прочности) или обнаруживается остаточная деформация (проявляется пластичность).
П. В я экое п о в еде н не (вязкое течение) характеризуется пропорциональностью напряжений и скоростей деформаций, т. е. линейной зависимостью между т и скоростью сдвига у = ду/Ф, и описывается законом Ньютона: т=ц — =Ву, д~ й где ц — вязкость, Па с или (Н/м ) с (1 Па с = 10 пуаз). Графически (рис. 1Х-4) в координатах у — т закону Ньютона отвечает прямая линия, проходящая через начало координат; котангенс угла наклона к оси абсцисс равен вязкости ц. Такое идеализированное вязкое поведение механически и термодинамически полностью необратимо,т.е.послепрекращениявоздействиянапряжениясдвига исходная форма тела не восстанавливается. Вязкое течение сопровождается диссипацией энергии — превращением всей совершенной работы в теплоту.
Скорость диссипации энергии, т. е. мощность, рассеиваемая в единице объема тела, равна: Такая квадратичная зависимость рассеиваемой мощности от скорости характерна для вяз- кого трения. Моделью вязкого поведения тела гас. !х-4. вюхее теможет служить цилиндр, заполненный некото- чевае рой вязкой средой, с неплотно прилегающим к стенкам цилиндра поршнем (рис. 1Х-5). При этом предполагается, что отношение действ ющей — т 1 силы к скорости перемещения поршня à — эк- дг Рис.
ГХ-5. Моисль ВИВаЛЕНтНО ВяЗКОСтИ 2) раССМатрИВаЕМОй жИдКО- алиного иоаслснил Природа вязкого течения связана с самодиффузией — переносом массы вследствие последовательных актов обмена местами между атомами (молекулами) в их тепловом движении, Приложенное напряжение снижает потенциальный барьер такого перемещения в одном направлении и повышает в противоположном, в итоге постепенно обнаруживается макроскопическая деформация. Таким образом, вязкое течение — это термически активируеммй процесс, и вязкость т) обнаруживает характерную экспоненциальную зависимость от температуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
