Большая техническая энциклопедия
2 4 7
D L N
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
ПА ПЕ ПИ ПЛ ПО ПР ПС ПУ ПЫ ПЬ ПЯ

Поверхностная энергия - твердое тело

 
Поверхностная энергия твердых тел должна быть тесно связана с прочностью идеальной структуры. Так, линейность формы такой зависимости установлена по оценке предела прочности [213] и микротвердости [214] металлов.
Поверхностная энергия твердого тела, в особенности кристаллов, зависит от расположения частиц под любой из граней, от способа упаковки молекул. Поэтому даже для одного кристалла или зерна условия смачиваемости по различным поверхностям неоднозначны.
Поверхностная энергия твердых тел, Гостехиздат.
Уменьшение поверхностной энергии твердого тела, приводящее к изменению его механических свойств, может быть достигнуто различными путями, наиболее эффективным из которых является смачивание поверхности заготовки родственными ей по физико-химической природе жидкостями - расплавами легкоплавких металлов.
Поверхностное натяжение жидкостей на границе с их насыщенным паром. Прямое определение поверхностной энергии твердых тел невозможно, и величины о для них оцениваются лишь косвенно. В таблице 3 представлены значения величин поверхностного натяжения ряда жидкостей на границе с их насыщенным паром.
Проблема изучения поверхностной энергии твердых тел как в методическом, так и в теоретическом аспекте привлекает внимание многих исследователей. Большой вклад в решение этих вопросов принадлежит советским исследователям Френкелю, Семенченко, Ребиндеру, Кузнецову, их ученикам и последователям.
Максимальное снижение поверхностной энергии твердого тела при физической адсорбции не превышает 10 % от исходного значения. Поэтому адсорбция органических ПАВ может приводить к существенному облегчению разрушения веществ с малой энергией связи в решетке, т.е. молекулярных соединений, некоторых ионных кристаллов, легкоплавких металлов, а также полимеров.
Для вычисления поверхностной энергии твердых тел классическая теория не дает четкой физической зависимости.
Перенос Hell по насыщенной пленке под действием разности давлений.| Скорость переноса насыщенной пленки под действием тер-момеханич. давления. Относит, значения поверхностной энергии твердых тел в данной среде могут оыть оценены также по приближенно пропорциональной ей работе диспергировании ( шлифования, резания, тонкого измельчения) при расчете на единицу вновь образующейся поверхности.
К методам оценки поверхностной энергии твердых тел относятся и методы, основанные на измерении энергии разрушения: методы раскалывания, трещин, расщепления [ 4, с.
Так как в вакууме поверхностная энергия твердых тел имеет наибольшие значения, то на образование новых поверхностей должна расходоваться гораздо большая работа, чем, например, во влажной атмосфере; это тесно связано с гидрофильностью стеклянных поверхностей и с тем, что вода является полярной жидкостью. Шенд [168] установил, что энергия разрыва стекол, разрушенных при действии малых нагрузок на воздухе, примерно равна величине их поверхностное энергии, а энергия стекол, разрушенных в вакууме - в 15 раз больше.
Так как в вакууме поверхностная энергия твердых тел имеет наибольшие значения, то на образование новых поверхностей должна расходоваться гораздо большая работа, чем, например, во влажной атмосфере; это тесно связано с гидрофильностью стеклянных поверхностей и с тем, что вода является полярной жидкостью. Шенд [168] установил, что энергия разрыва стекол, разрушенных при действии малых нагрузок на воздухе, примерно равна величине их поверхностной энергии, а энергия стекол, разрушенных в вакууме - в 15 раз больше.

Эффективная энергия не равна поверхностной энергии твердого тела.
Рассмотрим основные методы оценки поверхностной энергии твердых тел, в принципе пригодные для термодинамической оценки эффективности адгезионного взаимодействия. Основные из них, имеющие серьезное теоретическое обоснование, приведены в табл. 1 со ссылками на приоритетные работы.
Вместе с тем понижение поверхностной энергии твердого тела происходит не только при адсорбции паров: в такой же или еще в большей мере оно имеет место и при капиллярной конденсации с непрерывным переходом к контакту твердого тела с объемной жидкой фазой; соответственно эффекты снижения прочности твердых тел в результате понижения их поверхностной энергии при контакте с жидкой фазой также обычно включаются в обобщенное понятие адсорбционного понижения прочности.
Сопоставление понижений прочности и поверхностной энергии пористой дисперсной структуры гидро-оксида магния при адсорбции паров воды. Вместе с тем понижение поверхностной энергии твердого тела происходит не только при адсорбции паров, в такой же или еще в большей мере оно наблюдается и при капиллярной конденсации с непрерывным переходом к контакту твердого тела с объемной жидкой фазой. Соответственно эффекты снижения прочности твердых тел в результате понижения их поверхностной энергии при контакте с жидкой фазой также обычно включаются в обобщенное понятие адсорбционного понижения прочности.
Большая группа методов измерения поверхностной энергии твердых тел основана на измерении некоторых механических характеристик. Из этой группы наиболее распространены методы шлифования, сверления, царапания, метод затухающих колебаний.
Довольно распространенный метод оценки поверхностной энергии твердых тел основан на экстраполяции поверхностного натяжения жидкой фазы до температур, при которых данный материал находится в твердом состоянии.
Однако при сравнении значений поверхностной энергии твердых тел, вычисленных по формуле Стефана, и экспериментально определенных значений стнепременно оказывается, что последние значительно больше. К тому же экспериментально для твердых тел величину а оценить очень трудно.
Опыт Дюпре, демонстрирующий наличие силы ные значения поверх. Однако при сравнении значений поверхностной энергии твердых тел, вычисленных по формуле Стефана, и экспериментально определенных значений а непременно оказывается, что последние значите. К тому же, экспериментально для твердых тел величину а оценить очень трудно. Как видим, методы определения и расчета значений поверхностной энергии, имеющиеся в классической теории поверхностных явлений, весьма неопределенны и сопряжены со значительными трудностями.
Несомненный интерес представляет метод измерения поверхностной энергии твердых тел по результатам изучения равновесия трех фаз - твердой, жидкой и газообразной. Следует напомнить, что попытки определить поверхностную энергию твердых тел с помощью смачивания предпринимались неоднократно. В качестве примера можно сослаться на метод Антонова [56], суть которого заключается в следующем.
Тем не менее попытки определить поверхностную энергию твердого тела по результатам смачивания предпринимаются и в настоящее время [58 - 60], поскольку такой путь кажется весьма привлекательным. Однако некоторые авторы полагают, что надежда решить проблему таким способом иллюзорна.
Критическое поверхностное натяжение смачивания характеризует поверхностную энергию твердых тел и определяется путем экстраполяции зависимости краевого угла смачивания твердого тела жидкостями с различным поверхностным натяжением к поверхностному натяжению, соответствующему нулевому углу.
Вместе с тем обобщенное термодинамическое рассмотрение поверхностной энергии твердых тел, в том числе и полярных, предложенное Фауксом, и учет им полярных, донорно-акцепторных и дисперсионных составляющих, действующих на поверхности раздела, включает в виде одного из типа возможных межфазных взаимодействий донорно-ак-цепторные взаимодействия. По теории Дерягина, этим воздействиям необоснованно приписывается определяющая роль в адгезии. Фактически на межфазной границе в зависимости от природы контактирующих тел действуют самые различные силы, вплоть до чисто ионных и химических взаимодействий, поэтому описывать их целесообразнее в рамках единого молекулярного подхода, т.е. с позиций молекулярной теории адгезии.
Принцип снятия электрокапиллярных кривых яа твердых металлах. 1 - маятник. 2 - раствор. 3 - металл.| Краевой угол омачивания твердого электрода жидкостью. 1 - газ. 2 - жидкость. 3 - металл.
Изучение смачиваемости позволяет проследить за изменением поверхностной энергии твердого тела с поляризацией. На рис. 78 изображена капля жидкости на поверхности твердого электрода.
Несмотря на большое разнообразие методов измерения поверхностной энергии твердых тел, до сих пор нет достаточно надежного, теоретически строгого способа характеристики этой величины.
Краевой угол смачивания твердого электрода жидкостью. Изучение смачиваемости позволяет проследить за изменением поверхностной энергии твердого тела с поляризацией. На рис. 38 изображена капля жидкости на поверхности твердого электрода.
Гриффите предполагал, что величина 6Г есть поверхностная энергия твердого тела, имеющая ту же физическую природу, что и для жидкости. Однако впоследствии выяснилось, что затраты энергии при создании новых поверхностей при развитии трещины связаны главным образом с работой пластической деформации объемов материала, расположенных перед фронтом трещины. Если линейные размеры этих объемов малы сравнительно с дли-пой трещины, то ноток упругой энергии по-прежнему можно вычислить, сообразуясь только с упругим решением, а затрату энергии на разрушение относить теперь к работе пластической деформации.
Гриффите предполагал, что величина 6Г есть поверхностная энергия твердого тела, имеющая ту же физическую природу, что и для жидкости. Однако впоследствии выяснилось, что затраты энергии при создании новых поверхностей при развитии трещины связаны главным образом с работой пластической де формации объемов материала, расположенных перед фронтом трещины. Если линейные размеры этих объемов малы сравнительно с длиной трещины, то поток упругой энергии по-прежнему можно вычислить, сообразуясь только с упругим решением, а затрату энергии на разрушение относить теперь к работе пластической деформации.
Образованию граничных пленок в зоне трения способствует поверхностная энергия твердого тела.
Гриффите предполагал, что величина 6Г есть поверхностная энергия твердого тела, имеющая ту же физическую природу, что и для жидкости. Однако впоследствии выяснилось, что затраты энергии при создании новых поверхностей при развитии трещины связаны главным образом с работой пластической деформации объемов материала, расположенных перед фронтом трещины. Если линейные размеры этих объемов малы сравнительно с длиной трещины, то поток упругой энергии по-прежнему можно вычислить, сообразуясь только с упругим решением, а затрату энергии на разрушение относить теперь к работе пластической деформации.
Гриффите предполагал, что величина 6Г есть поверхностная энергия твердого тела, имеющая ту же физическую природу, что и для жидкости. Однако впоследствии выяснилось, что затраты энергии при создании ноных поверхностей при развитии трещины связаны главным образом с работой пластической деформации объемов материала, расположенных перед фронтом трещины. Если линейные размеры этих объемов малы сравнительно с длиной трещины, то поток упругой энергии по-прежнему можно вы числить, сообразуясь только с упругим решением, а затрату энергии на разрушение относить теперь к работе пластической деформации.
Зависимость температурного градиента поверхностного натяжения от числа повторяющихся звеньев в сегментах макромолекул полиэтилена ( 1, полипропилена ( 2, полиизобутилена ( 3, полистирола ( 4, поливинилацетата ( 5 и полиметилметакрилата ( 6. Приведенные данные показывают необходимость привлечения для оценки поверхностной энергии твердых тел их когезионных характеристик.
Величина у близка к теоретиче ским оценкам поверхностной энергии твердого тела ( см. гл. II), так как при / Ci / Cic пластические деформации в теле отсутствуют.
Из этого анализа вытекает, что понижения поверхностной энергии твердого тела можно ожидать также в случае полярных молекул среды и твердых тел с преимущественно ионными связями. Оценку этого понижения легко произвести аналогичным методом, если знать энергию соответствующей полярной связи.
Мы рассматриваем только этот случай, поскольку поверхностную энергию твердого тела трудно определить.
Формулы (2.57) позволяют определить теоретическую прочность и поверхностную энергию твердого тела, по-видимому, с наибольшей точностью.

Гриффите предполагал, что величина б Г есть поверхностная энергия твердого тела, имеющая ту же физическую природу, что и для жидкости. Однако впоследствии выяснилось, что затраты энергии при создании новых поверхностей при развитии трещины связаны главным образом с работой пластической деформации объемов материала, расположенных перед фронтом трещины. Если линейные размеры этих объемов малы сравнительно с длиной трещины, то поток упругой энергии по-прежнему можно вычислить, сообразуясь только с упругим решением, а затрату энергии на разрушение относить теперь к работе пластической деформации.
Это выражение нуждается в поправке на значение разницы поверхностных энергий твердого тела без адсорбированного слоя жидкости и с адсорбированным слоем. При полном смачивании работа адгезии равна 2yL, с уменьшением смачивания работа адгезии уменьшается.
Важную, хотя и трудноразрешимую задачу представляет измерение поверхностной энергии твердых тел.
Поверхностная энергия некоторых тел неорганической природы. В табл. II.1 приведены в качестве примера значения поверхностной энергии твердых тел неорганической природы. При анализе этих данных необходимо иметь в виду, что все значения поверхностной энергии металлов относятся к высокой температуре, близкой к соответствующим температурам плавления. Проведение экспериментов при таких температурах сопряжено с трудностями, которые усугубляются высокой химической активностью металла. Значения поверхностной энергии металлов обычно определяют в инертной среде.
R и равновесная концентрация вакансий соответственно; ат - поверхностная энергия твердого тела; Q - атомный объем; kB - постоянная Больцмана; Т - температура.
По мнению В. Д. Кузнецова, мерой твердости может являться и поверхностная энергия твердых тел.
Важную, хотя и трудноразрешимую, задачу представляет измерение поверхностной энергии твердых тел. Трудности связаны с тем, что для твердых тел, как правило, не удается реализовать термодинамически обратимое увеличение поверхности раздела фаз, в частности из-за больших необратимых затрат энергии на пластическое деформирование.
Величина а может на несколько порядков превосходить истинное значение поверхностной энергии твердого тела; вместе с тем многочисленные эксперименты показали, что сама величина о очень чувствительна к поверхностной энергии твердого тела и резко уменьшается при снижении о в условиях контакта с адсорбционно-активной средой.
Величина с может на несколько порядков превосходить истинное значение поверхностной энергии твердого тела. Вместе с тем многочисленные эксперименты показали, что сама величина а очень чувствительна к поверхностной энергии твердого тела и резко уменьшается при снижении п в условиях контакта с адсорбционно-активной средой.
Этот параметр входит в формулы, предложенные для расчета поверхностной энергии твердых тел. На изменении работы выхода электрона основано одно из направлений изучения сложных по своей природе физико-химических процессов, протекающих в месте контакта пар трения. Для экспериментальной оценки работы выхода электрона используют метод контактной разности потенциалов ( КРП), возникающей при сближении двух разнородных металлов ( эталонного и исследуемого) до некоторого расстояния, при котором возможен эффективный обмен электронами под действием разности работы выхода электронов используемых металлов.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11