Необходимые условия для проявления эффекта ребиндера. Внешний и внутренний эффекты ребиндера

Явления смачиваемости рассматривались для равновесного состояния системы. В пластовых условиях наблюдаются неустойчивые процессы, происходящие на поверхности раздела фаз. За счет вытеснения нефти водой образуется передвигающийся трехфазный периметр смачивания. Угол смачивания изменяется в зависимости от скорости и направления движения жидкости (менисков жидкости, рис. 5.5) в каналах и трещинах.

Рисунок 5.5 – Схема изменения углов смачивания при изменении направления движения мениска в капиллярном канале:  1 – наступающий,  2 – отступающий углы смачивания при движении водо-нефтяного мениска в цилиндрическом канале с гидрофильной поверхностью ( – статический угол смачивания)

Кинетическим гистерезисом смачивания принято называть изменение угла смачивания при передвижении по твердой поверхности трехфазного периметра смачивания. Величина гистерезиса зависит:

от направления движения периметра смачивания, т.е. от того, происходит ли вытеснение с твердой поверхности воды нефтью или нефти водой;

скорости перемещения трехфазной границы раздела фаз по твердой поверхности;

шероховатости твердой поверхности;

адсорбции на поверхности веществ.

Явления гистерезиса возникают, в основном, на шероховатых поверхностях и имеют молекулярную природу. На полированных поверхностях гистерезис проявляется слабо.

5.6 Свойства поверхностных слоев пластовых жидкостей

О структуре поверхностного слоя существуют различные пред­положения.

Многие исследователи, изучающие строение и толщину тонких слоев жидкости, связывают образование пристенных слоев с поляри­зацией молекул и их ориентацией от поверхности твердого тела во внутренние области жидкости с образованием сольватных 1 слоев.

Особо сложное строение имеют слои нефти, контактирующие с горными породами пласта, так как взаимодействие поверхностн-активных веществ с минералами очень многообразно.

Замечено, например, что реагенты, применяемые во флотацион­ной технике, могут закрепляться на поверхности минерала как в форме обычных трехмерных пленок, образующих самостоятельную фазу на поверхности минеральных частиц, так и в виде поверхно­стных соединений, нe имеющих определенного состава и не образу­ющих отдельной самостоятельной фазы.

Наконец, реагенты могут концентрироваться в диффузионной части двойного электрического слоя, a не на самой поверхности раздела фаз.

Поверхностно-активные компоненты, по-видимому, всегда кон­центрируются не только на поверхности, но и в трехмерном объеме вблизи поверхности раздела.

Многими исследователями были сделаны попытки измерять тол­щину пленки различных жидкостей па твердых телах. Так, напри­мер, по результатам измерений Б. В. Дерягина и М. М. Кусакова толщина смачивающих пленок водных растворов солей на различ­ных твердых плоских поверхностях составляет около 10 -5 см (100 им). Эти слои отличаются от остальной части жидкости структурой и механическими свойствами – упругостью на сдвиг и повышенной вязкостью. Установлено, что свойства жидкости в поверхностном слое изменяются также вследствие ее сжатия. Например, плотность адсорбированной силикагелем воды по некоторым измерениям соста­вляет 1027-1285 кг/м 3 .

Особыми свойствами обладают также адсорбционные и связан­ные с ними сольватные оболочки на разделах фаз в нефтяном пласте. Некоторые составные части нефти могут образовывать гелеобразные структурированные адсорбционные слои (с необычными - аномаль­ными свойствами) с высокой структурной вязкостью, а при высоких степенях насыщения адсорбционного слоя - с упругостью и меха­нической прочностью на сдвиг.

Исследования показывают, что в состав поверхностных слоев на разделе нефть - вода входят нафтеновые кислоты, низкомолеку­лярные смолы, коллоидные частицы высокомолекулярных смол и асфальтенов, микрокристаллы парафина, а также частицы минераль­ных и углеродистых суспензий. Предполагается, что поверхностный слой на разделе нефть - вода образуется в результате скопления минеральных и углеродистых частиц, а также микрокристаллов парафина под влиянием избирательного смачивания водной фазой гидрофильных участков их поверхности. Адсорбирующиеся на этой же поверхности раздела асфальтосмолистые вещества, переходящие в гелеобразное состояние, цементируют частицы парафина и мине­ралов в единый монолитный слой. Поверхностный слой еще более утолщается вследствие сольватизации гелей асфальтосмолистых веществ со стороны нефтяной фазы.

Особые структурно-механические свойства поверхностных слоев обусловливают стабилизацию различных систем и, в частности, высокую устойчивость некоторых водонефтяных эмульсий.

Существование адсорбционных слоев на разделе остаточная вода - нефть, по видимому, оказывает также некоторое задержива­ющее влияние на процессы смешиваемости нагнетаемых в пласт вод с остаточными.

5.7 Расклинивающее действие тонких слоев жидкости.

Опыты Дерягина. Эффект Ребиндера

Жидкость, смачивающая твердое тело, проникая в тонкие тре­щины, способна играть роль клина и раздвигать ее стенки, т.е. тонкие слои жидкости обладают расклинивающим действием 2 . Это свойство тонких слоев проявляется также при сближении твердых поверхно­стей, погруженных в жидкость. По исследованиям Б. В. Дерягина рас­клинивающее действие возникает при условии, если толщина слоя h жидкости, раздвигающей поверхности трещины, меньше некоторой величины h кр . При h > h кр расклинивающее действие равно нулю и при h < h кр оно возрастает с уменьшением толщины жидкого слоя, т. е. с момента h ≤ h кр для сближения поверхностей частиц необходимо приложить к ним внешнюю нагрузку.

Факторами, создающими расклинивающее действие, являются силы ионно-электростатического происхождения и особое агре­гатное состояние полярных жидкостей вблизи граничных поверх­ностей.

Ранее упоминалось, что свойства сольватного слоя на поверх­ности твердого тела резко отличаются от свойств остальной части жидкости. Этот (сольватный) слой можно рассматривать как особую граничную фазу. Поэтому при сближении частиц до расстояний, меньших двойной толщины сольватных слоев, к частицам необхо­димо прикладывать внешнюю нагрузку.

Расклинивающее давление ионно-электростатического происхо­ждения возникает из-за изменений концентрации ионов в слое, разде­ляющем частицы и в окружающем их растворе.

По результатам опыта расклинивающее действие тем больше, чем прочнее связь между жидкостью и поверхностями твердого тела. Его можно усилить, если ввести в жидкость поверхностно-активные вещества, хорошо адсорбируемые поверхностью твердого тела. На этом явлении основан эффект Ребиндера. Сущность его заключается в том, что небольшие количества поверхностно-актив­ных веществ вызывают резкое ухудшение механических свойств твердого тела. Адсорбционное понижение прочности твердых тел зависит от многих факторов. Оно усиливается, если тело подвер­гается растягивающим усилиям и если жидкость хорошо смачивает поверхность.

Эффект адсорбционного понижения прочности используется в бурении скважин. При использовании в качестве промывочных жидкостей растворов, содержащих специально подобранные поверх­ностно-активные вещества, заметно облегчается бурение твердых пород.

где ps – давление насыщенного пара при данной температуре; давление пара.

p s - относительное

Уравнение изотермы полимолекулярной адсорбции БЭТ легко привести к линейной форме:

по которому можно построить линейную зависимость в координатах / от и определить константы С и А∞ .

Теория БЭТ, так же как и теория Ленгмюра, указывает путь для определения удельной поверхности адсорбента. Найдя А∞ для паров простых веществ при низких температурах и зная площадь, занимаемую молекулой адсорбтива, легко вычислить удельную поверхность адсорбента.

В качестве адсорбатов используют инертные газы (азот, аргон, криптон и др.), которые характеризуются слабым межмолекулярным взаимодействием на поверхности адсорбента, что находится в соответствии с исходными допущениями теории, а это обеспечивает достоверность получаемых результатов. Для увеличения адсорбции таких газов ее ведут при низких температурах, откуда и частое название метода БЭТ - метод низкотемпературной адсорбции.

13 Адсорбционное понижение прочности. Эффект Ребиндера

Многие технологические процессы начинаются с дробления и измельчения. Это одна из самых массовых и энергоемких операций современной технологии. Размалывают зерно, превращая его в муку, размалывают руду, уголь, горные породы, необходимые для производства цемента, стекла. Размалывают ежегодно миллиарды тонн сырья, затрачивая громадное количество электроэнергии.

Явление адсорбционного влияния среды на механические свойства и структуру твердых тел - эффект Ребиндера - было открыто академиком Петром Александровичем Ребиндером в 1928 году. Сущность этого явления состоит в облегчении деформирования и разрушения твердых тел и самопроизвольном протекании в них структурных изменений в результате понижения их свободной поверхностной энергии при контакте со средой, содержащей вещества, способные к адсорбции на межфазной поверхности. Многие явления, наблюдаемые в природе, технике и научно-исследовательской практике, имеют своей основой эффект Ребиндера.

В зависимости от химической природы твердого тела и среды, условий деформирования и разрушения структуры твердого тела эффект Ребиндера может проявляться в различных формах: адсорбционного пластифицирования (облегчения пластического деформирования), адсорбционного понижения прочности или самопроизвольного диспергирования структуры твердого тела. Несмотря на разнообразие форм проявления, можно выделить ряд общих особенностей, характерных для эффекта Ребиндера:

1) Действие сред весьма специфично: на каждый данный тип твердого тела действуют лишь некоторые определенные среды.

2) Изменение механических свойств твердых тел можно наблюдать сразу после установления контакта со средой.

3) Для проявления действия среды достаточно весьма малых ее количеств.

4) Эффект Ребиндера проявляется лишь при совместном действии среды и механических напряжений.

5) Наблюдается своеобразная обратимость эффекта: после удаления среды механические свойства исходного материала полностью восстанавливаются.

В этих особенностях состоит отличие эффекта Ребиндера от других возможных случаев влияния среды на механические свойства твердых тел, в частности, от процессов растворения и коррозии, когда разрушение тела под действием среды может происходить и в отсутствие механических напряжений. В последнем случае обычно необходимо воздействие значительных количеств агрессивной среды.

Адсорбционное понижение прочности (АПП) наблюдается в присутствии сред, вызывающих сильное снижение поверхностной энергии твердых тел. Наиболее сильные эффекты вызывают жидкие среды, близкие твердому телу по молекулярной природе. Так, для твердых материалов такими средами являются расплавы более легкоплавких металлов; для ионных кристаллов и оксидов - вода, растворы электролитов и солевые расплавы; для молекулярных неполярных кристаллов - углеводороды. Среди многочисленных сред одинаковой молекулярной природы значительное снижение прочности твердых тел часто вызывают вещества, образующие с твердым телом простую эвтектическую диаграмму с небольшой растворимостью в твердом состоянии; этому отвечает малая по величине положительная энергия смешения компонентов. В системах с малой интенсивностью взаимодействия компонентов (взаимной нерастворимостью), также как и в случае очень большого взаимного сродства, особенно если компоненты вступают в химическую реакцию, АПП обычно не наблюдается.

При хрупком разрушении связь прочности Р с поверхностной энергией описывается уравнением Гриффитса:

, (13.1)

где Е - модуль упругости твердого тела, l - характерный размер существующих в нем или возникающих при предварительном пластическом деформировании дефектов - зародышевых трещин разрушения. В соответствии с соотношением Гриффитса, справедливым в условиях хрупкого разрушения, отношение прочностей материала в присутствии P A и в отсутствие среды P 0 равно корню квадратному из отношения соответствующих поверхностных энергий: P A /P 0 =( A / 0 ) 1/2 . При разрушении твердых тел в присутствии смесей двух жидких компонентов, различающихся по адсорбционной активности, прочность снижается тем сильнее, чем выше концентрация более активного компонента, который преимущественно адсорбируется на поверхности разрушения.

Сопоставляя соотношение Гриффитса с адсорбционным уравнением Гиббса (при малых концентрациях) Г=-(RT) -1 d /dlnc можно непосредственно связать адсорбцию с прочностью P :

Эффект Ребиндера позволил снизить расходы энергии 20-30%, а также получить материалы сверхтонкого помола, например, цемент с особыми свойствами. Эффект Ребиндера используется и при механической обработке металла, когда в смазочноохлаждающую жидкость добавляется ПАВ, понижающие прочность в зоне действия резца. Поверхностно-активные вещества широко используются в пищевой промышленности: для

понижения прочности при дроблении зерна, для улучшения качества выпекаемого хлеба, замедления процесса его черствения; для уменьшения клейкости макаронных изделий, для повышения пластических свойств маргарина; в производстве мороженого; в производстве кондитерских изделий и т.д.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Кафедра физической и коллоидной химии

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА

Выполнила: студент гр. 5271-1

Бобровник С.А.

Проверила:

Третьякова А.Я.

Казань 2010

РЕБИНДЕР Петр Александрович (03.Х.1898-12.VII.1972), советский физико-химик, академик АН СССР с 1946 г. (член-корреспондент с 1933 г.), родился в Петербурге. Окончил физико-математический факультет Московского университета (1924). В 1922-1932 гг. работал в Институте физики и биофизики АН СССР и одновременно (в 1923-1941 гг.) - в Московском государственном педагогическом институте им. К.Либкнехта (с 1923 г. - профессор), с 1935 г. - заведующий отделом дисперсных систем в Коллоидно-электрохимическом институте (с 1945 г. - Институт физической химии) АН СССР, с 1942 г. - заведующий кафедрой коллоидной химии в Московском университете.

Работы Ребиндера посвящены физикохимии дисперсных систем и поверхностных явлений. В 1928 г. ученый открыл явление понижения прочности твердых тел вследствие обратимого физико-химического воздействия на них среды (эффект Ребиндера) и в 1930-1940-е гг. разработал пути облегчения обработки очень твердых и труднообрабатываемых материалов.

Он обнаружил электрокапиллярный эффект пластифицирования металлических монокристаллов в процессе ползучести при поляризации их поверхности в растворах электролитов, исследовал особенности водных растворов поверхностно-активных веществ, влияние адсорбционных слоев на свойства дисперсных систем, выявил (1935-1940) основные закономерности образования и стабилизации пен и эмульсий, а также процесса обращения фаз в эмульсиях.

Ученый установил, что моющее действие включает сложный комплекс коллоидно-химических процессов. Ребиндер изучил процессы образования и строение мицелл поверхностно-активных веществ, развил представления о термодинамической устойчивой мицелле мыл с лиофобным внутренним ядром в лиофильной среде. Ученый выбрал и обосновал оптимальные параметры для характеристики реологических свойств дисперсных систем и предложил методы их определения.

В 1956 г. ученый открыл явление адсорбционного понижения прочности металлов под действием металлических расплавов. В 1950-е гг. ученым была создана новая область науки - физико-химическая механика. Как писал сам Ребиндер: «Конечная задача физико-химической механики состоит в том, чтобы разработать научные основы для получения твердых тел и систем с заданными структурой и механическими свойствами. Следовательно, в задачу этой области входит создание оптимально направленной технологии производства и обработки по существу всех строительных и конструкционных материалов современной техники - бетонов, металлов и сплавов, особенно жаропрочных, керамики и металлокерамики, резин, пластиков, смазочных материалов».

С 1958 г. Ребиндер - председатель Научного совета АН СССР по проблемам физико-химической механики и коллоидной химии, затем (с 1967 г.) председатель Национального комитета СССР при Международном комитете по поверхностно-активным веществам. С 1968 по 1972 г. он был главным редактором «Коллоидного журнала». Ученый награжден двумя орденами Ленина, имел звания Героя Социалистического труда (1968), лауреата Государственной премии СССР (1942).

Эффект Ребиндера, эффект адсорбционного понижения прочности твёрдых тел, облегчение деформации и разрушения твёрдых тел вследствие обратимого физико-химического воздействия среды. Открыт П. А. Ребиндером (1928) при изучении механических свойств кристаллов кальцита и каменной соли. Возможен при контакте твёрдого тела, находящегося в напряжённом состоянии, с жидкой (или газовой) адсорбционно-активной средой. Эффект Ребиндера весьма универсален -- наблюдается в твёрдых металлах, ионных, ковалентных и молекулярных моно- и поликристаллических телах, стеклах и полимерах, частично закристаллизованных и аморфных, пористых и сплошных. Основное условие проявления эффекта Ребиндера -- родственный характер контактирующих фаз (твёрдого тела и среды) по химическому составу и строению. Форма и степень проявления эффекта зависят от интенсивности межатомных (межмолекулярных) взаимодействий соприкасающихся фаз, величины и типа напряжений (необходимы растягивающие напряжения), скорости деформации, температуры. Существенную роль играет реальная структура тела -- наличие дислокаций, трещин, посторонних включений и др. Характерная форма проявления эффекта Ребиндера -- многократное падение прочности, повышение хрупкости твёрдого тела, снижение его долговечности. Так, смоченная ртутью цинковая пластина под нагрузкой не гнётся, а хрупко разрушается. Другая форма проявления -- пластифицирующее действие среды на твёрдые материалы, например воды на гипс, органических поверхностно-активных веществ на металлы и др. Термодинамический эффект Ребиндера обусловлен уменьшением работы образования новой поверхности при деформации в результате понижения свободной поверхностной энергии твёрдого тела под влиянием окружающей среды. Молекулярная природа эффекта состоит в облегчении разрыва и перестройки межмолекулярных (межатомных, ионных) связей в твёрдом теле в присутствии адсорбционно-активных и вместе с тем достаточно подвижных инородных молекул (атомов, ионов).

Важнейшие области технического приложения -- облегчение и улучшение механической обработки различных (особенно высокотвёрдых и труднообрабатываемых) материалов, регулирование процессов трения и износа с применением смазок, эффективное получение измельченных (порошкообразных) материалов, получение твёрдых тел и материалов с заданной дисперсной структурой и требуемым сочетанием механических и др. свойств путём дезагригирования и последующего уплотнения без внутренних напряжений. Адсорбционно-активная среда может наносить и существенный вред, например, снижая прочность и долговечность деталей машин и материалов в условиях эксплуатации. Устранение факторов, способствующих проявлению эффект Ребиндера, в этих случаях позволяет защищать материалы от нежелательного воздействия среды.

Даже самые прочные тела имеют огромное число дефектов, которые и ослабляют их сопротивление нагрузке, делают менее прочными по сравнению с тем, что предсказывает теория. При механическом разрушении твердого тела процесс начинается с того места, где расположены микродефекты. Увеличение нагрузки приводит к развитию в месте дефекта микротрещины. Однако снятие нагрузки приводит к восстановлению первоначальной структуры: ширина микротрещины часто бывает недостаточной для полного преодоления сил межмолекулярного (межатомного) взаимодействия. Уменьшение нагрузки приводит к «стягиванию» микротрещины, силы межмолекулярного взаимодействия восстанавливаются практически полностью, трещина исчезает. Дело еще и в том, что образование трещины - это образование новой поверхности твердого тела, а такой процесс требует затраты энергии, равной энергии поверхностного натяжения, помноженной на площадь этой поверхности. Уменьшение нагрузки ведет к «стягиванию» трещин, т. к. система стремится к уменьшению энергии, в ней запасенной. Следовательно, для успешного разрушения твердого тела необходимо покрыть образующуюся поверхность специальным веществом, называемым поверхностно-активным, которое будет уменьшать работу по преодолению молекулярных сил при образовании новой поверхности. Поверхностно-активные вещества проникают в микротрещины, покрывают их поверхности слоем толщиной всего в одну молекулу (что определяет возможность использования очень малых количеств добавок этих веществ), предотвращая процесс «схлопывания», препятствуя возобновлению молекулярного взаимодействия.

Поверхностно-активные вещества в определенных условиях облегчают измельчение твердых тел. Очень тонкое (вплоть до размера коллоидных частиц) измельчение твердых тел вообще невозможно осуществить без добавления поверхностно-активных веществ.

Теперь остается вспомнить, что разрушение твердого тела (т. е. образование новых микротрещин) начинается именно с того места, где расположен дефект структуры этого тела. Кроме того, добавляемое поверхностно-активное вещество адсорбируется преимущественно также в местах расположения дефектов - таким образом облегчается его адсорбция на стенках будущих микротрещин. Приведем слова академика Ребиндера: «Отрыв части происходит именно по этим слабым местам [расположения дефектов], и, следовательно, образующиеся при измельчении мелкие частицы тела уже не содержат этих наиболее опасных дефектов. Выражаясь точнее, вероятность встречи опасного слабого места становится тем меньше, чем меньше ее размеры.

Если, измельчая реальное твердое тело любой природы, мы дойдем до частиц, размеры которых примерно такие же, как расстояния между самыми опасными дефектами, то такие частицы уже почти наверняка не будут содержать опасных дефектов структуры, они станут гораздо прочнее, чем крупные образцы того же самого тела. Следовательно, стоит только измельчить твердое тело на достаточно мелкие кусочки, и эти кусочки той же самой природы, того же состава будут наиболее прочными, почти идеально прочными».

Потом эти однородные, бездефектные частицы надо соединить, сделать из них твердое (высокопрочное) тело нужных размеров и формы, заставить частицы плотно упаковаться и очень прочно объединиться друг с другом. Полученная таким образом деталь машины или строительная деталь должна быть гораздо прочнее, чем исходный материал до измельчения. Естественно, не настолько прочной, как отдельная частица, т. к. в местах объединения возникнут новые дефекты. Однако при умелом проведении процесса объединения частиц прочность исходного материала будет превзойдена. Для этого требуется особенно плотно упаковать мелкие частицы, чтобы между ними снова возникли силы межмолекулярного взаимодействия. Обычно для этого используют сжатие частиц прессованием и нагрев. Нагревают полученный прессованием мелкозернистый агрегат, не доводя его до плавления. При повышении температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний молекул (атомов) в кристаллической решетке. В точках соприкосновения колеблющиеся молекулы двух соседних частиц сближаются и даже перемешиваются. Силы сцепления увеличиваются, частицы стягиваются, практически не оставляя пустот и пор, дефекты мест соприкосновения исчезают.

В ряде случаев частицы удается склеить или спаять друг с другом. При этом процесс надо вести в таком режиме, чтобы прослойки клея или припоя не содержали дефектов.

Коренное усовершенствование процесса измельчения твердых тел, основанное на практическом применении эффекта Ребиндера, оказалось весьма полезным для многих отраслей промышленности. Технологические процессы измельчения существенно ускорились, при этом потребление энергии заметно уменьшилось. Тонкое измельчение позволило проводить многие технологические процессы при менее высоких температурах и давлениях. В результате были получены более высококачественные материалы: бетоны, керамические и металлокерамические изделия, красители, карандашные массы, пигменты, наполнители и многое другое. Облегчается механическая обработка тугоплавких и жаропрочных сталей.

Вот как описывает способ применения эффекта Ребиндера он сам: «Строительные детали из цементного бетона могут быть надежно объединены в монолитную конструкцию путем склеивания цементным виброколлоидным клеем… Такой клей представляет собой смесь тонкомолотого цемента (часть которого можно заменить тонкомолотым песком) с предельно малым количеством воды и добавкой поверхностно-активного вещества. Смесь разжижается предельным вибрированием в процессе нанесения на склеиваемые поверхности в виде тонкой прослойки. После быстрого затвердевания прослойка клея становится самым прочным местом в конструкции».

Использование идей академика Ребиндера относительно облегчения процесса измельчения твердых тел имеет большое практическое значение, например, для разработки метода уменьшения прочности минералов с целью повышения эффективности бурения в твердых породах.

Понижения прочности металлов под действием металлических расплавов . В 1956 г. Ребиндер открыл явление понижения прочности металлов под действием металлических расплавов. Было показано, что наибольшее понижение поверхностной энергии твердого тела (металла) почти до нуля можно вызвать расплавленными средами, которые близки к твердому телу по молекулярной природе. Так, прочность на растяжение монокристаллов цинка удалось понизить в десятки раз при нанесении на их поверхность слоя жидкого металла олова толщиной в 1 микрон и меньше. Подобные эффекты для тугоплавких и жаропрочных сплавов наблюдаются под действием жидких легкоплавких металлов.

Открытое явление оказалось весьма важным для совершенствования способов обработки металлов давлением. Этот процесс невозможен без применения смазки. Для материалов новой техники - тугоплавких и жаропрочных сплавов - обработка особенно существенно облегчается при применении активных смазок, которые размягчают тонкие поверхностные слои металла (что, собственно, и происходит под действием небольших количеств металлических расплавов). При этом металл как бы смазывает сам себя - устраняется вредная избыточная деформация, возникающая при обработке, которая вызывает так называемый наклеп - мешающее обработке повышение прочности. Открываются новые возможности обработки металлов давлением при нормальной и повышенной температурах: повышается качество изделий, уменьшается износ обрабатывающего инструмента, расход энергии на обработку.

Вместо перевода дорогого металла в стружку в процессе изготовления изделия резанием можно применить пластическое изменение формы: обработку давлением без потерь металла. При этом качество изделий также повышается.

Резкое понижение прочности поверхностного слоя металлов играет существенную роль в улучшении работы узлов трения. Возникает автоматически действующий механизм управления износом: если имеются случайные неровности на трущихся поверхностях (заусеницы, царапины и т. п.), в местах их дислокации развивается высокое местное давление, вызывающее поверхностное течение металлов, значительно облегченное под действием адсорбированных расплавов (смоченный расплавом поверхностный слой металла теряет прочность). Трущиеся поверхности легко пришлифовываются или заполировываются. Введенная «смазка» вызывает ускоренный «износ» неровностей, увеличивается скорость приработки (обкатки) машин.

Активные расплавы-примеси можно использовать в качестве модификаторов процесса кристаллизации. Адсорбируясь на кристалликах-зародышах выделяемого металла, они уменьшают скорость их роста. Таким образом, образуется мелкозернистая структура металла с более высокой прочностью.

Разработан процесс «тренировки» металла в поверхностно-активной среде. Металл подвергают периодическим поверхностным воздействиям, которые не приводят к разрушению. Из-за облегчения пластических деформаций в поверхностных слоях металл во внутреннем объеме как бы «разминается», происходит диспергирование кристаллической решетки зерен. Если проводить такой процесс при температуре, близкой к температуре начала рекристаллизации металла, в поверхностно-активной среде происходит образование мелкокристаллической структуры с гораздо более высокой твердостью. Да и измельчение металлов при получении тонкого порошка не обходится без применения поверхностно-активных расплавов. В дальнейшем из этого порошка получают изделия горячим прессованием (в полном соответствии с описанным выше процессом упрочнения материалов из порошков).

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА В ПОЛИМЕРАХ. Выдающийся советский физико-химик академик Петр Александрович Ребиндер был первым, кто попытался воздействовать на работу разрушения твердого тела. Именно Ребиндеру удалось понять, каким образом это можно осуществить. Еще в 20-х годах прошлого века он использовал для этой цели так называемые поверхностно-активные, или адсорбционно-активные, вещества, которые способны эффективно адсорбироваться на поверхности даже при низкой концентрации в окружающей среде и резко снижать поверхностное натяжение твердых тел. Молекулы данных веществ атакуют межмолекулярные связи в вершине растущей трещины разрушения и, адсорбируясь на свежеобразованных поверхностях, ослабляют их. Подобрав специальные жидкости и введя их на поверхность разрушаемого твердого тела, Ребиндер добился поразительного уменьшения работы разрушения при растяжении (рис.1). На рисунке представлены деформационно-прочностные кривые монокристалла цинка (пла-стинки толщиной порядка миллиметра) в отсутствие и в присутствии поверхностно-активной жидкости. Момент разрушения в обоих случаях отмечен стрелками. Хорошо видно, что если просто растягивать образец, он разрушается при более чем 600% удлинении. Но если ту же процедуру производить, нанеся на его поверхность жидкое олово, разрушение наступает всего при ~10% удлинении. Поскольку работа разрушения -- это площадь под кривой зависимости напряжения от деформации, нетрудно заметить, что присутствие жидкости уменьшает работу даже не в разы, а на порядки. Именно этот эффект и был назван эффектом Ребиндера, или ад-сорбционным понижением прочности твердых тел .

Рис.1. Зависимость напряжения от деформации монокристаллов цинка при 400°С: 1 -- н а воздухе; 2 -- в расплаве олова

Эффект Ребиндера -- универсальное явление, оно наблюдается при разрушении любых твердых тел, в том числе и полимеров. Тем не менее, природа объекта вносит свои особенности в процесс разрушения, и полимеры в этом смысле не исключение. Полимерные пленки состоят из крупных целых молекул, удерживаемых вместе силами Ван-дер-Ваальса или водородными связями, которые заметно слабее, чем ковалентные связи внутри самих молекул. Поэтому молекула, даже будучи членом коллектива, сохраняет некие обособленность и индивидуальные качества. Главная особенность полимеров -- цепное строение их макромолекул, которое обеспечивает их гибкость. Гибкость молекул, т.е. их способность изменять свою форму (за счет деформации валентных углов и поворотов звеньев) под действием внешнего механического напряжения и ряда других факторов, лежит в основе всех характеристических свойств полимеров. В первую очередь -- способности макромолекул к взаимной ориентации. Правда, надо оговориться, что последнее относится только к линейным полимерам. Существует огромное количество веществ, имеющих большой молекулярный вес (например, белки и другие биологические объекты), но не обладающих специфическими качествами полимеров, поскольку сильные внутримолекулярные взаимодействия мешают их макромолекулам сгибаться. Более того, типичный представитель полимеров -- натуральный каучук, -- будучи «сшитым» с помощью специальных веществ (процесс вулканизации), может превратиться в твердое вещество -- эбонит, не подающий вообще никаких признаков полимерных свойств.

В полимерах эффект Ребиндера проявляется весьма своеобразно. В адсорбционно-активной жидкости возникновение и развитие новой поверхности наблюдается не только при разрушении, а значительно раньше -- еще в процессе деформации полимера, которая сопровождается ориентацией макромолекул.

Рис.2. Внешний вид образцов полиэтилентерефталата, растянутых на воздухе (а) и в ад-сорбционно-активной среде (н- пропаноле) (б).

ребиндер полимер металл прочность

На рис.2 представлены изображения двух образцов лавсана, один из которых был растянут на воздухе, а другой -- в адсорбционно-активной жидкости. Хорошо видно, что в первом случае в образце возникает шейка. Во втором случае пленка не сужается, зато становится молочно-белой и не прозрачной. Причины наблюдающегося побеления становятся понятными при микроскопическом исследовании.

Рис.3. Электронная микрофотография образца полиэтилентерефталата, деформирован ного в н-пропаноле. (Увел. 1000 )

Вместо монолитной прозрачной шейки в полимере образуется уникальная фибриллярно-пористая структура состоящая из нитеобразных агрегатов макромолекул (фибрилл), разделенных микропустотами (порами). В этом случае взаимная ориентация макромолекул достигается не в монолитной шейке, а внутри фибрилл. Поскольку фибриллы разобщены в пространстве, такая структура содержит огромное количество микропустот, которые интенсивно рассеивают свет и придают полимеру молочно-белый цвет. Поры заполняются жидкостью, поэтому гетерогенное строение сохраняется и после снятия деформирующего напряжения. Фибриллярно-пористая структура возникает в особых зонах и по мере деформировании полимера захватывает все больший объем. Анализ микроскопических изображений позволил установить особенности структурных перестроек в полимере, подвергаемом крейзингу (рис.4).

Рис.4. Схематическое изображение отдельных стадий крейзинга-полимера: I --инициирование крейзов, II -- рост крейзов, III -- уширение крейзов.

Зародившись на каком-либо дефекте (неоднородности структуры), которые имеются в изобилии на поверхности любого реального твердого тела, крейзы растут через все сечение растягиваемого полимера в направлении, нормальном оси растягивающего напряжения, сохраняя постоянную и весьма малую (~1 мкм) ширину. В этом смысле они подобны истинным трещинам разрушения. Но когда крейз «перерезает» все поперечное сечение полимера, образец не распадается на отдельные части, а остается единым целым. Это обусловлено тем, что противоположные края такой своеобразной трещины соединены тончайшими ниточками ориентированного полимера (рис.3). Размеры (диаметры) фибриллярных образований, так же как и разделяющих их микропустот, -- 1--10 нм.

Когда фибриллы, соединяющие противоположные стенки крейзов, становятся достаточно длинными, начинается процесс их слияния (при этом площадь поверхности уменьшается, рис.5). Другими словами, полимер претерпевает своеобразный структурный переход от рыхлой структуры к более компактной, состоящей из плотно упакованных агрегатов фибрилл, ко-торые ориентированы в направлении оси растяжения.

Рис.5. Схема, иллюстрирующая коллапс структуры полимера, происходящий при больших зна-чениях деформации в адсорбционно-активной жидкости, на различных стадиях растяжения

Существует метод разделения молекул путем адсорбции из раствора тех из них, которые способны проникать в поры данного размера (молекулярно-ситовый эффект). Поскольку размер пор можно легко регулировать, изменяя степень вытяжки полимера в адсорбционно-активной среде (используя эффект Ребиндера), легко добиться избирательной адсорбции. Важно отметить, что используемые в практике адсорбенты обычно представляют собой некий порошок или гранулят, которым заполняют разного рода емкости (например, сорбент в том же противогазе). С помощью эффекта Ребиндера легко получить пленку или волокно со сквозной нанометрической пористостью. Другими словами, открывается перспектива создать конструкционный материал, обладающий оптимальными механическими свойствами и одновременно являющийся эффективным сорбентом.

С помощью эффекта Ребиндера элементарным путем (простым растяжением полимерной пленки в адсорбционно-активной среде) удается делать пористые полимерные пленки на основе практически любых синтетических полимеров. Размеры пор в таких пленках легко регулировать, изменяя степень деформации полимера, что позволяет изготавливать разделительные мембраны для решения самых разных практических задач.

Эффект Ребиндера в полимерах несет в себе большой прикладной потенциал. Во-первых, простой вытяжкой полимера в адсорбционно-активной жидкости можно получать разнообразные полимерные сорбенты, разделительные мембраны и полимерные изделия, имеющие поперечный рельеф, и, во-вторых, эффект Ребиндера дает химику-технологу универсальный непрерывный метод введения модифицирующих добавок в полимеры.

Список используемых материалов

1. www.rfbr.ru/pics/28304ref/file.pdf

2. www.chem.msu.su/rus/teaching/colloid/4.html

3. http://femto.com.ua/articles/part_2/3339.html

4. Большая Советская Энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1975, т. 21.

6. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00065/40400.htm

7. http://www.nanometer.ru/2009/09/07/rfbr_156711/PROP_FILE_files_1/rffi4.pdf

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Ребиндера

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Определение содержания непредельных углеводородов в дизельном топливе по йодному числу. Нахождение минеральных примесей, плотности и вязкости, коэффициента поверхностного натяжения нефтепродуктов. Использование методов Вестфаля-мора и Ребиндера-вейлера.

курсовая работа , добавлен 27.11.2014


Изучение основных видов адсорбции. Факторы, влияющие на скорость адсорбции газов и паров. Изотерма адсорбции. Уравнение Фрейндлиха и Ленгмюра. Особенности адсорбции из растворов. Правило Ребиндера, Панета-Фаянса-Пескова. Понятие и виды хроматографии.

презентация , добавлен 28.11.2013


Схватывание и твердение различных модификаций гипса. Классификация и свойства добавок. Определение поверхностного натяжения. Определение пластической прочности. Рычажный пластометр Ребиндера. Влияние добавок на кинетику твердения гипсового теста.

курсовая работа , добавлен 17.02.2013


Общие сведения о коррозии металлов, ее виды и типы. Причины возникновения химической и электрохимической коррозии и механизм ее протекания. Методы защиты металлических изделий от коррозионных процессов. Антикоррозийная защита неметаллическими покрытиями.

практическая работа , добавлен 03.11.2011


Особенности химических реакций в полимерах. Деструкция полимеров под действием тепла и химических сред. Химические реакции при действии света и ионизирующих излучений. Формирование сетчатых структур в полимерах. Реакции полимеров с кислородом и озоном.

контрольная работа , добавлен 08.03.2015


Объективные ошибки фотометрии. Спектрофотометрические кривые хлороформных растворов. Общее понятие про фотоэлектрический эффект. Метод колориметрического титрования или дублирования. Схема автоматического фотоколориметра. Практика фотометрических методов.

курсовая работа , добавлен 30.10.2011


Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов. Физические свойства металлов. Химические свойства металлов. Коррозия металлов. Понятие о сплавах. Способы получения металлов.

реферат , добавлен 05.12.2003


Анализ проблем изыскания жаростойких металлических материалов, предназначенных для изготовления нагревателей, печей, теплообменников. Знакомство с наиболее распространенными уравнениями скорости окисления металлов. Общая характеристика теории Вагнера.

контрольная работа , добавлен 10.04.2015


Энтальпия - термодинамическая функция состояния и сумма внутренней энергии и работы против внешних сил. Энтальпия образования сложного вещества. Определение энтальпии реакции нейтрализации. Описание эксперимента, вычисление относительной ошибки измерения.

лабораторная работа , добавлен 18.05.2012


Сущность, виды, методы получения, сферы применения металлических покрытий. Технология и особенности химического серебрения стекла. Характеристика основных методов химического осаждения металлов. Прочность прилипания металлического слоя к поверхности.

В отличие от рассмотренного случая «газ - твердое тело», адсорбция жидкостей сильно усложняется наличием третьего компонента - растворителя, молекулы которого могут также адсорбироваться на поверхности адсорбента и, следовательно, являются конкурентами молекул адсорбата. Таким образом, адсорбция этого вида всегда является адсорбцией из смеси. Кроме этого, адсорбция на границе «твердое тело-раствор» всегда осложняется взаимодействием молекул адсорбтива с молекулами среды. При рассмотрении адсорбции из раствора на твердом теле принято различать два случая.

Адсорбция неэлектролитов или молекулярная адсорбция.

Адсорбция электролитов.

Зависимость молекулярной равновесной адсорбции из раствора на твердое тело характеризуется обычной изотермой адсорбции, а для достаточно разбавленных растворов хорошо описывается эмпирическим уравнением Фрейндлиха-Ленгмюра–Либиха . Использование уравнений Ленгмюра и Гиббса затруднено из-за сложности определения поверхностного натяжения.

При адсорбции из раствора молекулы адсорбата и среды являются конкурентами. И чем хуже адсорбируется среда, тем лучше адсорбируется адсорбат. Исходя из того, что поверхностное натяжение для ПАВ мало, можно считать, что чем больше поверхностное натяжение самой среды, тем меньше ее молекулы способны к адсорбции. Поэтому адсорбция на твердом теле обычно лучше идет из водных растворов и хуже из растворов органических веществ, имеющих относительно небольшое поверхностное натяжение. При адсорбции также выполняется правило Траубе : с увеличением цепи адсорбата в гомологическом ряду конкурентная адсорбция идет в сторону того адсорбата, который обладает большей молекулярной массой.

С увеличением длины молекул адсорбата выше определенного критического значения из-за невозможности молекулы адсорбата проникнуть внутрь пор адсорбция с увеличением молекулярной массы адсорбтива падает.

Правило выравнивания полярностей Ребиндера : вещество может адсорбироваться на поверхности раздела фаз в том случае, если его адсорбция приводит к выравниванию полярностей этих фаз, т.е по полярности это вещество должно занимать промежуточное положение между веществами, составляющими эти фазы .

Если надо провести адсорбцию компонента из жидкой фазы, необходимо, чтобы полярность адсорбента и раствора резко отличались друг от друга. Чем хуже растворимо вещество в растворителе, тем лучше оно будет адсорбироваться.

Критерием пригодности растворителя в качестве среды для адсорбции является теплота смачивания этим растворителем адсорбента. Разность полярностей на второй границе раздела всегда меньше, чем на первой, поэтому Е 1 > E 2 и Q >0 . Чем больше Q , тем интенсивнее взаимодействие растворителя с адсорбентом и тем, следовательно, худшей средой для адсорбции он является.

Глава 2.4 Адгезия. Когезия. Смачивание и растекание жидкости

Тема 2.4.1. Понятие когезии и адгезии. Смачивание и растекание. Работа адгезии и когезии. Уравнение Дюпре. Краевой угол смачивания. Закон Юнга. Гидрофобные и гидрофильные поверхности

В гетерогенных системах различают межмолекулярное взаимодействие внутри фаз и между ними.

Когезия - притяжение атомов и молекул внутри отдельной фазы . Она определяет существование вещества в конденсированном состоянии и может быть обусловлена межмолекулярными и межатомными силами. Понятие адгезии , смачивания и растекания относятся к межфазным взаимодействиям.

Адгезия обеспечивает между двумя телами соединение определенной прочности благодаря физическим и химическим межмолекулярными силами. Рассмотрим характеристики когезионного процесса. Работа когезии определяется затратой энергии на обратимый процесс разрыва тела по сечению равной единице площади: W k =2  , где W k - работа когезии; - поверхностное натяжение

Так как при разрыве образуется поверхность в две параллельные площади, то в уравнении появляется коэффициент 2. Когезия отражает межмолекулярное взаимодействие внутри гомогеннойфазы, то ее можно охарактеризовать такими параметрами как энергия кристаллической решетки, внутреннее давление, летучесть, температура кипения. Адгезия - результат стремления системы к уменьшению поверхностной энергии. Работа адгезии характеризуется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Она измеряется в тех же единицах, что и поверхностное натяжение. Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел: W s = W a S

Адгезия - работа по разрыву адсорбционных сил с образованием новой поверхности в 1м 2 .

Чтобы получить соотношение между работой адгезии и поверхностным натяжением взаимодействующих компонентов, представим себе две конденсированные фазы 2 и 3, имеющие поверхность на границе с воздухом 1, равную единице площади (рис. 2.4.1.1).

Будем считать, что фазы взаимно нерастворимы. При совмещении этих поверхностей, т.е. при нанесении одного вещества на другое происходит явление адгезии, т.к. система стала двухфазной, то появляется межфазное натяжение  23 . В результате первоначальная энергия Гиббса системы снижается на величину, равную работе адгезии:

G + W a =0, W a = - G .

Изменение энергии Гиббса системы в процессе адгезии:

;

G нач . =  31 +  21 ;

G кон =  23 ;

.

- уравнение Дюпре.

Оно отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностные натяжения исходных компонентов и чем меньше конечное межфазное натяжение.

Межфазное натяжение станет равно 0, когда исчезнет межфазная поверхность, что происходит при полном растворении фаз

Учитывая, что W k =2  , и умножая правую часть на дробь , получим:

где W k 2, W k 3 - работа когезии фаз 2 и 3.

Таким образом, условие растворения состоит в том, что работа адгезии между взаимодействующими телами должна быть равна или больше среднего значения суммы работ когезии. От работы когезии надо отличать адгезионную прочность W п .

W п – работа, затраченная на разрушение адгезионного соединения . Эта величина отличается тем, что в нее входит как работа разрыва межмолекулярных связей W a , так и работа, затраченная на деформацию компонентов адгезионного соединения W деф :

W п = W a + W деф .

Чем прочнее адгезионное соединение, тем большей деформации будут подвергаться компоненты системы в процессе его разрушения. Работа деформации может превышать обратимую работу адгезии в несколько раз.

Смачивание - поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкого с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом.

Степень смачиваемости характеризуется безразмерной величиной косинуса краевого угла смачивания или просто краевого угла. При наличии капли жидкости на поверхности жидкой или твердой фазы наблюдаются два процесса при условии, что фазы взаимно нерастворимы.

На рис. 2.4.1.2 показана капля на поверхности твердого тела в условиях равновесия. Поверхностная энергия твердого тела, стремясь к уменьшению, растягивает каплю по поверхности и равна  31 . Межфазная энергия на границе твердое тело - жидкость стремится сжать каплю, т.е. поверхностная энергия уменьшается за счет уменьшения площади поверхности. Растеканию препятствуют когезионные силы, действующие внутри капли. Действие когезионных сил направлено от границы между жидкой, твердой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли и равно  21 . Угол  (тетта), образованный касательной к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, имеет вершину на границе раздела трех фаз и называется краевым углом смачиваемости . При равновесии устанавливается следующее соотношение

- закон Юнга .

Отсюда вытекает количественная характеристика смачивания как косинус краевого угла смачивания
. Чем меньше краевой угол смачивания и, соответственно, чем большеcos , тем лучше смачивание.

Если cos  > 0, то поверхность хорошо смачивается этой жидкостью, если cos  < 0, то жидкость плохо смачивает это тело (кварц – вода – воздух: угол  = 0; «тефлон – вода – воздух»: угол  = 108 0). С точки зрения смачиваемости различают гидрофильные и гидрофобные поверхности.

Если 0< угол <90, то поверхность гидрофильная, если краевой угол смачиваемости >90, то поверхность гидрофобная. Удобная для расчета величины работы адгезии формула получается в результате сочетания формулы Дюпре и закона Юнга:

;

- уравнение Дюпре-Юнга.

Из этого уравнения видна разница между явлениями адгезии и смачиваемости. Разделив обе части на 2, получим

.

Так как смачивание количественно характеризуется cos , то в соответствии с уравнением оно определяется отношением работы адгезии к работе когезии для смачивающей жидкости. Различие между адгезией и смачиванием в том, что смачивание имеет место при наличии контакта трех фаз. Из последнего уравнения можно сделать следующие выводы:

1. При  = 0 cos  = 1, W a = W k .

2. При  = 90 0 cos  = 0, W a = W k /2 .

3. При  =180 0 cos  = -1, W a =0 .

Последнее соотношение не реализуется.

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА

Продолжим рассказ о живущих в кристалле трещинах. Первый обстоятельный доклад о своем открытии Петр Александрович Ребиндер сделал поздним летом 1928 г. на пароходе, спускавшемся вниз по Волге - от Нижнего Новгорода до Саратова. На пароходе плыли делегаты

VI Всероссийского съезда физиков и гости съезда. Среди гостей были крупнейшие физики того времени: Макс Борн, Петер Дебай, Чарлз Дарвин, Поль Дирак и многие другие. Для истории советской физики это был знаменательный съезд, потому что именно во время этого съезда были доложены и обсуждены три крупнейших достижения молодой советской физики: эффект комбинационного рассения света (о нем доложил Л. И. Мандельштам), первые результаты, полученные при исследовании цепных реакций (о них доложил Н. Н. Семенов), и эффект адсорбционного понижения прочности (о нем доложил П. А. Ребиндер).

Доклад П. А. Ребиндера вызвал скептическое к себе отношение. Докладчик утверждал, что механические свойства кристаллического тела могут быть существенно изменены, если на его поверхности расположить специально подобранные вещества. Докладчик рассказывал об опытах, подтверждающих его точку зрения. Все это выглядело более чем странно, потому что, какое бы вещество ни располагалось на поверхности, о его существовании осведомлены лишь «поверхностные» атомы кристалла, а их исчезающе мало. Относительная доля поверхностных атомов из числа образующих проволоку радиусом оказывается равной

? = 2?Ra /?R 2 = 2а/R ,

где а - межатомное расстояние. Если R = 10 -1 см, а = 3 . 10 -8 см,

то ? ? 10 -7 , т. е. на поверхности такой проволоки расположена одна десятимиллионная доля всех атомов, из которых она состоит. Не могут же они определить собой прочность массивного образца, за нее ведь заведомо ответственны атомы, находящиеся в объеме! Вспомним: подобные соображения возникали и в связи с эффектом Иоффе.

Прошли годы, появились новые факты, догадки, теоретические оценки. Оказалось, что докладчик был прав. Обширный опыт конференций и семинаров свидетельствуют о том, что докладчики обычно бывают правы. Не всегда, но чаще всего. Они о предмете доклада думали больше и заинтересованнее, чем их слушатели-оппоненты.

Итак - эффект Ребиндера: кристалл, поверхность которого покрыта так называемым поверхностно-активным веществом, обнаруживает механические свойства, существенно отличающиеся от свойств такого же кристалла, поверхность которого чиста. Так, например, значительно пониженной может оказаться прочность на разрыв, кристалл может обнаружить повышенную хрупкость.

Очень впечатляет классический опыт, который П. А. Ребиндер любил демонстрировать во время лекций. Опыт простой. Вначале следует убедиться в том, что тонкая пластинка цинка под влиянием малых усилий легко изгибается, оказывается пластичной. Затем следует очистить участок поверхности кристалла и нанести на него каплю ртути. После этой процедуры изгиб кристалла сопровождается появлением трещины. В нее активно проникает ртуть, и трещина быстро развивается. Ртуть, находящаяся на поверхности пластичного цинка, сделала его хрупким. Я неоднократно видел эту лекционную демонстрацию в исполнении Петра Александровича. Демонстрируя, он всегда был радостно возбужден, и в его повадке было нечто от повадки школьника, удивляющего друзей эффектным фокусом.

Этому большому, убеленному сединами человеку была свойственна ребячливость. Когда в его руках оказывались части хрупко разрушившейся пластинки цинка, он победно оглядывал слушателей и говорил: «Никакой ловкости рук!»

Процессы, сопутствующие проявлению эффекта Ребиндера, в той форме, какая наблюдалась в описанном опыте, очень не просты. Они зависят от физических свойств и кристалла, и вещества, занесенного на его поверхность.

Попытаемся понять физику эффекта, имея в виду кристалл А , на поверхности которого расположено некоторое поверхностно-активное вещество В. Может оказаться (и это оказывается в огромном количестве комбинаций А и В ), что атомам сорта В выгодно расположиться между атомами сорта A , вклиниться между ними. Этому процессу можно помочь, приложив растягивающие усилия к кристаллу, и таким образом ослабить связь А -А . Если внедрение атомов сорта В в кристалл А произошло, в нем появляются связи типа А -В . А вот связи А-В могут оказаться значительно слабее связей А-А , и это может определить пониженную прочность кристалла.

К рассказанному необходимо добавить следующее. Основные события, сопутствующие разрушению, как правило, происходят в устье развивающейся трещины, к которой из слоя покрытия должны успевать приходить атомы сорта В . Их может поставлять либо процесс диффузии вдоль поверхности, либо процесс растекания вещества В по поверхности трещины, развивающейся в кристалле А .

При любом механизме эти поставки должны происходить достаточно быстро для того, чтобы у устья трещины были атомы сорта В, стремящиеся внедриться в кристалл Л. Здесь уместно обратить внимание на то, что эффекту Ребиндера свойственны многие черты и эффекта Иоффе, и эффекта Гриффитса. Их роднят особенности процесса развития трещины под действием напряжений.

А вот еще один опыт, иллюстрирующий иное проявление эффекта Ребиндера. В высокий стеклянный стакан наливается немного расплавленного галлия и на его дно ставится тонкая поликристаллическая пластинка цинка. Затем стакан заполняют специальным раствором, который очищает поверхность цинка. Далее происходит следующее. Галлий начинает ползти по поверхности цинка. Это видно отчетливо, так как на цинке образуется движущийся матовый след. Цинковая пластинка, покрытая галлием, начинает оседать на дно стакана, складываясь в гармошку или скручиваясь в рулон. Самопроизвольно, лишь под действием собственного веса!

Галлий, проникая в границы между зернами цинковой поликристаллической пластинки, ослабляет их, и зерна получают возможность легко взаимно смещаться. Именно это мы и видим, наблюдая, как мягко пластинка цинка оседает в стакане с галлием.

В первом опыте - аномальная хрупкость, во втором-аномальная пластичность. Можно было бы привести примеры резкого понижения твердости кристаллов горных пород и металлов, приобретения ими способности легко превращаться в порошок и много иных примеров изменения механических свойств кристаллических тел под влиянием поверхностно-активных веществ.

Читатель, даже не очень склонный к фантазированию, легко представит себе ту огромную роль, которую играет эффект Ребиндера в природе и во многих технологических процессах. Помогу читателю: в присутствии поверхностно-активных веществ легче обрабатывать резцом, легче штамповать, легче бурить горные породы, легче истирать кристалл в порошок...

Эффект Чизхолма Основные законы срывов, неудач и затяжек Ф. Чизхолм Можно быть уверенным только в одном: что ни в чем нельзя быть уверенным. Если это утверждение истинно, оно тем самым и ложно. Древний парадокс Подобно большинству научных открытий, общие принципы,

4. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света Открытие явления фотоэффекта и его дальнейшее изучение принесло физикам много неожиданного. Сущность фотоэффекта состоит в испускании веществом быстрых электронов под воздействием достаточно коротковолнового