Физико-химическая механика

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА, раздел коллоид-ной химии, изучающий мех. (реологич.) св-ва дисперсных систем и материалов, а также влияние среды на разрушение, деформацию и диспергирование твердых и жидких тел. Физико-химическая механика возникла в 30-40-х гг. 20 в. и оформилась как самостоят. научная дисциплина в 50-х гг. в осн. благодаря работам П. А. Ребиндера. В 1928 им был установлен эффект адсорбционного понижения прочности твердого тела, находящегося в напряженном состоянии вследствие обратимой адсорбции на его пов-сти частиц из окружающей среды (эффект Ребиндера). Впоследствии было обнаружено, что поверхностными процессами, приводящими к эффекту Ребиндера, помимо адсорбции, м. б. смачивание (особенно твердых тел расплавами, близкими по мол. природе), электрич. заряжение пов-сти, хим. р-ции. К проявлениям эффекта Ребиндера относят, помимо многократного снижения прочности, также хрупкое разрушение металлов в контакте с металлич. расплавом, растрескивание стекол, керамики и горных пород в присут. воды, разрушение твердых полимерных материалов под влиянием орг. р-рителей. Другая форма проявления эффекта Ребиндера - пластифицирующее действие среды на твердые материалы, напр. воды на гипс, орг. ПАВ на металлы.

Совр. физико-химическая механика развивается на основе представлений об определяющей роли физико-хим. явлений на границе раздела фаз - смачивания, адсорбции, адгезии и др.- во всех процессах, обусловленных взаимод. между частицами дисперсной фазы, в т. ч. структурообразования (см. Структурообразование в дисперсных системах). Коагуляционные структуры, в к-рых взаимод. частиц ограничивается их соприкосновением через прослойку дисперсионной среды, определяют вязкость, пластичность, тиксотропное поведение жидких дисперсных систем, а также зависимость сопротивления сдвигу от скорости течения. Структуры с фазовыми контактами образуются в кристаллич. и аморфных твердых телах и дисперсных материалах при спекании, прессовании, изотермич. перегонке, а также при выделении новой высокодисперсной фазы в пересыщенных р-рах и расплавах, напр. в минер. связующих или полимерных материалах. Мех. характеристики таких тел - прочность, долговечность, износостойкость, упру-го-пластич. св-ва и упруго-хрупкое разрушение - обусловлены силами сцепления в контактах, числом контактов (на 1 см² пов-сти раздела фаз), типом контактов, дисперсностью системы и могут изменяться в широких пределах. Так, для глобулярной пористой монодисперсной структуры прочность материала может варьировать от 10 до 10⁸ Н/м². Возможно образование иерархич. уровней дисперсной структуры: первичные частицы - их агрегаты - флокулы - структурированный осадок. Сплошные материалы, в частности металлы и сплавы, в рамках представлений физико-химической механики рассматриваются как предельный случай полного срастания зерен структуры с фазовыми контактами.

На основе изучения скорости структурообразования, типа возникающих контактов и их прочности физико-химическая механика разрабатывает способы эффективного, управления структурно-мех. св-вами материалов при оптим. сочетании состава среды и мех. воздействий. Установлено, что малые добавки ПАВ позволяют при правильном их выборе радикально изменять св-ва данной границы раздела фаз в нужном направлении, обеспечивая хорошее сцепление частиц либо, наоборот, ослабляя и преодолевая силы сцепления. Так, в лиофобных системах (стеклянные частицы в углеводородных средах, гидрофобизованные пов-сти в полярных жидкостях) свободная энергия в коагуляционных контактах достигает величин порядка 10^-6 Дж/см², а в лиофильных системах (напр., гидрофобизованные слоями ПАВ полярные частицы в углеводородной среде) - порядка 10^-9 Дж/см².

Для физико-химической механики характерно всестороннее изучение структур-но-реологич. характеристик материалов, в т. ч. в области нелинейного поведения, при широком варьировании условий (напряженного состояния, т-ры, состава среды, пересыщений и т. п.); непосредственное эксперим. изучение элементарных актов при контактных взаимодействиях; разнообразие мех. испытаний твердых тел и материалов в активных средах; использование мат. моделирования и численных методов для изучения реологич. CB-B и анализа влияния среды на мол. уровне.

В области практич. разработок физико-химической механики выделяют след, направления:

1) Получение материалов с заданной структурой и совокупностью мех. и физико-хим. характеристик; гл. обр. это полимерные материалы, керамика, катализаторы, сорбенты.

2) Применение методов диспергирования и управления реологич. св-вами среды в гетерогенных химико-технол. процессах, напр. при произ-ве бумаги, в текстильной и лакокрасочной пром-сти, при получении теста и кондитерских масс, при гидротранспорте высококонцентрир. дисперсных жидкостей, затворении цементного р-ра, подготовке асфальтобетонов, формовочных земель, составлении композиций в порошковой металлургии, топливных композиций, закреплении фунтов.

3) Выяснение условий проявления эффекта Ребиндера для облегчения обработки металла резанием, бурения твердых горных пород (в частности, при проходке туннелей), измельчении руды перед обогащением, тонкого диспергирования цементного клинкера. Адсорбционно-активная среда может наносить и существ. вред, поэтому важно устанавливать вредное влияние среды и предотвращать снижение долговечности деталей машин и материалов в условиях эксплуатации.

4) Оптимизация контактных взаимод. при сцеплении пов-стей при обработке металлов давлением, в условиях граничного трения и износа узлов в машинах, механизмах и приборах, а также оптимизация смазочного действия, формования покрытий и пр.

Лит.: Физико-химическая механика дисперсных структур, M., 1966; Успехи коллоидной химии, M., 1973; Ребиндер П. А., Избранные труды, т. 2, M., 1979; Щукин Е.Д., ПерцовА.В., Амелина Е.А., Коллоидная химия, M., 1982; Физико-химическая механика природных дисперсных систем, M., 1985; Успехи коллоидной химии, Таш., 1987; Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах, M., 1988; У r ь ев H. Б., Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов, M,, 1988.