ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Образование и разрушение структурированных систем из "Курс коллоидной химии" Процессы разрушения представляют значительный интерес не только для размола материалов (например, цемента) и получения дисперсных систем, но также для изучения практических условий разрушения твердых тел при их эксплуатации, особенно в условиях усталостного понижения прочности. [c.273] Прочность, как и межфазная свободная энергия, является макроскопической характеристикой микроскопических сил сцепления (см. раздел XIV. ). Последние можно оценить в первом приближении, например, для ионных решеток, пользуясь законом Кулона — е /сР, где е = 4,8-10 о СОЗ Ед 3-10- см — расстояние между центрами ионов. Прочность на 1 см поверхности т == — /А, где Л — 10- 5 см — площадь, приходящаяся на один ион. Расчет дает т л 2-10 —дин/см или 2 г/мм . Прочность реальных тел оказывается на несколько порядков меньшей это различие объясняется дефектностью структуры — наличием микротрещин, дислокаций, местных внутренних напряжений и пр. [c.273] Взаимодействие со средой, изменяя а, может привести к значительному уменьшению прочности. На этом основан так называемый эффект Ребиндера , заключающийся. в адсорбционном понижении прочности при воздействии ПАВ. Проникая, вследствие поверхностной подвижности, к зоне предразрушения (например, вершине трещины), молекулы ПАВ снижают а, уменьшая работу образования новой поверхности. Следовательно, сущность эффекта Ребиндера заключается в облегчении деформации и разрушения вследствие снижения а. Акт адсорбции должен происходить одновременно с актом разрыва связи в момент образования новой элементарной ячейки поверхности. Таким образом, для адсорбционного понижения прочности (в отличие от коррозии) характерно обязательное сочетание действия среды и механических напряжений . [c.273] Для металлов поверхностно-активной средой служат жидкие металлы. Адсорбционное понижение предела прочности может сделать его значительно меньшим, чем предел текучести это приводит к хрупкому разрыву тел, пластичных в обычных условиях. Например, стальные оси иногда ломаются при расплавлении баббита в подшипниках. Разрушающее действие среды особенно проявляется в условиях усталости металлов под действием многократных нагрузок. [c.274] Для ионных кристаллов активными являются полярные среды — растворы электролитов и ПАВ, сама вода, разрушающая твердые минералы, кристаллические структуры, стекла. Примером понижения прочности может служить известный опыт, в котором ножницами режут листовое стекло, погруженное в мыльную воду, или использование мыльной пены при бритье. [c.274] В коагуляционных структурах, например в коагелях глин, уменьшение сил сцепления в контактах приводит к сильному разжижению структуры, повышению текучести при той же объемной доле дисперсной фазы. Так, концентрированные глинистые растворы, используемые при бурении, содержат всего 30 % воды, однако обладают текучестью, вследствие введения ПАВ — (обычно щелочных вытяжек из бурого угля, содержащих высокомолекулярные ПАВ — гуматы). Этот эффект адсорбционной пластификации характерен и для других структурированных систем. [c.274] Наибольшее понижение прочности наблюдается при некоторой оптимальной температуре, поскольку при понижении температуры уменьшается поверхностная подвижность, а повышение ее приводит к увеличению пластичности и самозалечи-ванию дефектов. Этот пример показывает, что без исследования зависимости прочностных свойств от физико-химических параметров невозможно осуществить целенаправленный выбор условий сохранения или разрушения структуры. [c.274] На основе исследования этих закономерностей Ребиндер выдвинул весьма интересную идею создания прочного материала через разрушение . Суть идеи заключается в повышении прочности твердого тела путем разрушения его по всем дефектам (снижающим реальную прочность), с последующим прочным сращиванием образовавшихся частиц. Такое упрочнение достигается в производстве бетона. Задача состоит в том, чтобы на начальном этапе бетонная смесь при минимальном содержании воды обладала бы ле копод-вижностью, т, е. была бы удобной при укладке. Последнее соответствует наименьшей прочности структуры и достигается разрущением путем механического воздействия и введения добавок ПАВ. Получаемый таким способом бетон обладает значительно более высоким пределом прочности тт, чем обычный, полученный без применения ПАВ [12]. [c.274] Тиксотропия представляет собой обратимый переход золь— -гель протекающий при механическом воздействии. Примером тиксотропной системы может служить суспензия бетонитовой глины. При концентрациях дисперсной фазы 10 % суспензия утрачивает текучесть, застывает и приобретает упругие свойства, деформируясь вполне обратимо при небольщих нагрузках. Однако после встряхивания ее, например в мерном цилиндре, она полностью разжижается. Если оставить суспензию в покое, она через некоторое время 9, называемое тиксотропным периодом, становится вновь твердообразной. [c.275] Явление тиксотропии объясняется разрывом контактов, образующих структуру геля, с последующим обратимым их восстановлением в процессе броуновского движения частиц. Поэтому физический смысл 0 близок к периоду, медленной коагуляции и определяется скоростью диффузии, а также высотой энергетического барьера. Значения 0 для реальных систем могут составлять как доли секунды, так и десятки часов. Строгой количественной теории тиксотропии до настоящего времени не существует, несмотря па огромное практическое значение этого явления. [c.275] Типичные тиксотропные системы — оползни и плывуны. [c.275] В качестве примера положительной роли тиксотропии можно привести глинистые растворы, применяемые при турбинном способе бурения нефтяных скважин. [c.275] Раствор, нагнетаемый по трубе в скважину под большим давлением, вращает турбобур, а затем поднимается вдоль трубы вверх, закрепляя стенки глинистыми частицами (в результате его фильтрации) и вынося куски выбуренной породы на поверхность. Этот глинистый раствор должен обладать тнксотропнымн свойствами с малым 0, иначе при остановках процесса бурения выбуренная порода начнет оседать на дно и молсет оказаться причиной аварий, вызывая прихват инструмента. Тиксотропный глинистый раствор в этих случаях быстро твердеет, удерживая куски породы, и сразу же разжижается в момент возобновления работы турбобура. [c.275] Тиксотропные свойства определяют качество масляных красок. Они должны разжижаться при движении кисти и сразу же после этого затвердевать, не стекая под действием силы тяжести. Следует, наконец, отметить, что тиксотропными свойствами обладают как сама протоплазма, так и более крупные биологические структуры, например, мышечные волокна. [c.275] Реологические свойства структурированных систем (в частности, тиксотрогг-ные и дилатантные) определяются межчастичным взаимодействием — Э1 ергией связи дисперсных частиц. Обычно тиксотропные свойства связывают с силами притял ения, а дилатантные — отталкивания [22]. [c.276] Описание реологических свойств строится на основе различных моделей, в частности, цепочечной модели, развитой Бибиком и Лавровым при течении дисперсной системы через поперечное электрическое или магнитное поле в ней возникают поляризованные цепочки частиц, текущие как одно целое поляризация изменяет не только оптические (см. раздел XII, 7), но и реологические свойства дисперсий, изучение которых позволяет выявить физический смысл важнейших параметров (таких как Xd в (XIV. 6), т в (XIV. 11) и др.). [c.276] Таким образом новые направления науки — элект ореология и магии то peo лог и я—дают основы для построения количественной теорпн, выражающей реологические свойства систем в функции энергии связи (силы сцепления частиц), напряженности поля и скорости сдвига [18, 23]. Практическое значение заключается в управлении реологическими свойствами дисперсных систем (особенно ферромагнетиков) посредством воздействия внешних полей , ориентирующих диполи. [c.276] Вернуться к основной статье