Физико-химическая механика

Физико-химическая механика (ФХМ) – раздел коллоидной химии, изучающий роль поверхностных явлений в процессах структурообразования, деформации и разрушения дисперсных систем, твердых тел и материалов. Физико-химические явления на границе раздела фаз (смачивание, адсорбция) определяют, с одной стороны, прочность контактов при превращении дисперсных систем в материалы и, с другой стороны, условия образования новой поверхности в процессах разрушения, т.е. при превращении материалов в дисперсную структуру.

ФХМ оформилась как самостоятельная научная дисциплина благодаря работам академика П.А. Ребиндера. Его приоритетная работа «О влиянии изменений поверхностной энергии на спайность, твердость и другие свойства кристаллов» посвящена описанию замечательного явления, открытого им в 1928 г. – адсорбционного понижения прочности твердых тел, в дальнейшем получившего название «эффект Ребиндера». В этой публикации Ребиндер дал термодинамическое толкование этого явления, связав его со снижением свободной поверхностной энергии твердого тела в контакте с жидкой средой. Дальнейшее развитие этих исследований показало, что эффект Ребиндера универсален, т.е. он может проявляться на твердых телах с любым типом межатомных связей, и вместе с тем этот эффект характеризуется избирательностью: для его проявления необходим контакт твердого тела с жидкостью, родственной ему по молекулярной природе. Для металлов такими сильными понизителями прочности оказались определенные жидкие металлы; для ионных кристаллов – расплавы солей, растворы электролитов, вода и другие полярные жидкости; прочность и пластичность молекулярных кристаллов резко снижается в присутствии неполярных органических сред; на прочность полупроводников (германий, графит) сильно влияют некоторые металлические расплавы, а на прочность полимеров – родственные им низкомолекулярные жидкости. Для всех этих случаев продемонстрирована прямая количественная связь между понижением прочности твердых тел и снижением их поверхностной энергии на границе с жидкостью.

Другой формой проявления эффекта Ребиндера является облегчение пластического течения, связанное с уменьшением работы образования новой поверхности, которое всегда происходит при деформировании твердого тела. Механизм адсорбционного пластифицирования заключается в облегчении движения дислокаций из-за снижения потенциального барьера для выхода дислокаций на поверхность кристалла.

Отличительная особенность эффекта Ребиндера заключается в том, что он наблюдается при совместном действии среды и приложенных механических напряжений, когда понижение поверхностной энергии само по себе не влечет развития новой поверхности, а лишь помогает действию внешних сил.

Одной из главных задач ФХМ П.А. Ребиндер считал разработку методов получения прочных и сверхпрочных материалов. «Самый простой путь повышения прочности любого твердого тела почти до идеального потолка состоит в измельчении его до частиц, по порядку величины соответствующих расстояниям между опасными слабыми местами. Если такие плотно частицы упаковать или склеить тончайшими, а потому тоже высокопрочными после затвердевания, прослойками, полученный материал будет плотным, непроницаемым для жидкостей и газов, макрооднородным, высокопрочным и долговечным». Такой подход к упрочнению через разрушение открывает большие перспективы в создании высокопрочных композиционных материалов.

Выяснение условий проявления эффекта Ребиндера имеет огромное практическое значение для следующих направлений:

1. Облегчение процесса обработки и диспергирования (измельчения) твердых тел. Помол в присутствии поверхностно-активных сред приводит к значительному снижению затрат энергии на измельчение и одновременно резко замедляет обратный процесс – агрегирование, что позволяет получить значительно более мелкие частицы, чем при сухом помоле. Использование в качестве смазочно-охлаждающих жидкостей соответственно подобранных поверхностно-активных расплавов позволяет значительно интенсифицировать обработку, во много раз ускоряя процесс резания и уменьшая износ инструмента. Применение добавок поверхностно-активных металлов в качестве наполнителей шлифовальных алмазных кругов значительно увеличивает скорость обработки металлокерамических твердых сплавов.
2. Предотвращение износа узлов в машинах и механизмах. Оптимизация контактных взаимодействий при сцеплении трущихся поверхностей в условиях граничного трения достигается путем направленного подбора смазок.
3. Многократное увеличение прочности и стойкости промышленных катализаторов достигается с помощью методов, основанных на результатах работ по выяснению роли адсорбции (хемосорбции) в разрушении катализаторов в ходе реакции.
4. Получение строительных материалов с заданными свойствами на основе изучения кристаллизационного структурообразования в процессах гидратационного твердения минеральных вяжущих веществ с учетом действия добавок поверхностно-активных веществ и электролитов.

Ряд процессов, происходящих в земной коре (распространение трещин в горных породах под действием расплавленной магмы или гидротермальных растворов), оказывается возможным объяснить влиянием адсорбционного понижения прочности. Непосредственные экспериментальные исследования показывают, что оксидные и силикатные расплавы могут в несколько раз понижать прочность горных пород. Это позволяет сделать вывод об определяющей роли эффекта Ребиндера при образовании разломов земной коры. Медленная деформация горных пород, происходящая при относительно малых дифференциальных напряжениях, обусловлена наличием тончайших водных прослоек, локализующихся на границах зерен. Самопроизвольное проникновение этих прослоек по межзеренным границам – результат сильного снижения поверхностной энергии образующих породу минералов при контакте с водными растворами. Изучение этих явлений привело к созданию новой отрасли ФХМ – физико-химической геомеханики, позволяющей объяснять и прогнозировать процессы массопереноса или разрушения, происходящие в природе.

Рекомендуемая литература

Ребиндер П.А.. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Ч. 2. Физико-химическая механика. Изд-во «Наука», М. 1979 г.

Перцов Н.В., Коган Б.С. Физико-химическая геомеханика // Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем. Вып. 13. Киев: Наукова думка,1981. С. 53-65.

Перцов Н.В., Траскин В.Ю. Эффект Ребиндера в природе // Успехи коллоидной химии и физико-химической механики. М.: Наука, 1992. С. 155-165.

Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А.Коллоидная химия. 4-е изд., исправ. – М.: Высш. шк. 2006.