Стадии теории ребиндера. Внешний и внутренний эффекты ребиндера

24.11.202227.05.2017

Он представляет собой адсорбционное понижение прочности - изменение механических свойств твёрдых тел вследствие физико-химических процессов , вызывающих уменьшение поверхностной (межфазной) энергии тела. В случае кристаллического твёрдого тела, помимо уменьшения поверхностной энергии, для проявления эффекта Ребиндера важно также, чтобы кристалл имел дефекты в структуре, необходимые для зарождения трещин, которые затем под влиянием среды распространяются. У поликристаллических тел такими дефектами являются границы зёрен :350 . Проявляется в снижении прочности и возникновении хрупкости, уменьшении долговечности, облегчении диспергирования. Для проявления эффекта Ребиндера необходимы следующие условия:

Контактирование твердого тела с жидкой средой
Наличие растягивающих напряжений

Основными характерными чертами, отличающими эффект Ребиндера от других явлений, например, коррозии и растворения , являются следующие :337:

быстрое появление - немедленно после контакта тела со средой
достаточность мизерного объёма действующего на твёрдое тело вещества, но только с сопутствующим механическим воздействием
возвращение тела к начальным характеристикам после удаления среды

Примеры эффекта Ребиндера

Напишите отзыв о статье "Эффект Ребиндера"

Примечания

Литература

Гецов Г.Г. Капля долбит камень // Химия и жизнь . - 1972. - № 3 . - С. 14-16 .
С.В Грачев, В. Р. Бараз, А. А. Богатов, В. П. Швейкин. «Физическое материаловедение»

Ссылки

на YouTube

Отрывок, характеризующий Эффект Ребиндера

– «Первопрестольной столице нашей Москве.
Неприятель вошел с великими силами в пределы России. Он идет разорять любезное наше отечество», – старательно читала Соня своим тоненьким голоском. Граф, закрыв глаза, слушал, порывисто вздыхая в некоторых местах.
Наташа сидела вытянувшись, испытующе и прямо глядя то на отца, то на Пьера.
Пьер чувствовал на себе ее взгляд и старался не оглядываться. Графиня неодобрительно и сердито покачивала головой против каждого торжественного выражения манифеста. Она во всех этих словах видела только то, что опасности, угрожающие ее сыну, еще не скоро прекратятся. Шиншин, сложив рот в насмешливую улыбку, очевидно приготовился насмехаться над тем, что первое представится для насмешки: над чтением Сони, над тем, что скажет граф, даже над самым воззванием, ежели не представится лучше предлога.
Прочтя об опасностях, угрожающих России, о надеждах, возлагаемых государем на Москву, и в особенности на знаменитое дворянство, Соня с дрожанием голоса, происходившим преимущественно от внимания, с которым ее слушали, прочла последние слова: «Мы не умедлим сами стать посреди народа своего в сей столице и в других государства нашего местах для совещания и руководствования всеми нашими ополчениями, как ныне преграждающими пути врагу, так и вновь устроенными на поражение оного, везде, где только появится. Да обратится погибель, в которую он мнит низринуть нас, на главу его, и освобожденная от рабства Европа да возвеличит имя России!»
– Вот это так! – вскрикнул граф, открывая мокрые глаза и несколько раз прерываясь от сопенья, как будто к носу ему подносили склянку с крепкой уксусной солью. – Только скажи государь, мы всем пожертвуем и ничего не пожалеем.
Шиншин еще не успел сказать приготовленную им шутку на патриотизм графа, как Наташа вскочила с своего места и подбежала к отцу.
– Что за прелесть, этот папа! – проговорила она, целуя его, и она опять взглянула на Пьера с тем бессознательным кокетством, которое вернулось к ней вместе с ее оживлением.
– Вот так патриотка! – сказал Шиншин.
– Совсем не патриотка, а просто… – обиженно отвечала Наташа. – Вам все смешно, а это совсем не шутка…
– Какие шутки! – повторил граф. – Только скажи он слово, мы все пойдем… Мы не немцы какие нибудь…
– А заметили вы, – сказал Пьер, – что сказало: «для совещания».
– Ну уж там для чего бы ни было…
В это время Петя, на которого никто не обращал внимания, подошел к отцу и, весь красный, ломающимся, то грубым, то тонким голосом, сказал:
– Ну теперь, папенька, я решительно скажу – и маменька тоже, как хотите, – я решительно скажу, что вы пустите меня в военную службу, потому что я не могу… вот и всё…
Графиня с ужасом подняла глаза к небу, всплеснула руками и сердито обратилась к мужу.
– Вот и договорился! – сказала она.
Но граф в ту же минуту оправился от волнения.
– Ну, ну, – сказал он. – Вот воин еще! Глупости то оставь: учиться надо.
– Это не глупости, папенька. Оболенский Федя моложе меня и тоже идет, а главное, все равно я не могу ничему учиться теперь, когда… – Петя остановился, покраснел до поту и проговорил таки: – когда отечество в опасности.
– Полно, полно, глупости…
– Да ведь вы сами сказали, что всем пожертвуем.
– Петя, я тебе говорю, замолчи, – крикнул граф, оглядываясь на жену, которая, побледнев, смотрела остановившимися глазами на меньшого сына.
– А я вам говорю. Вот и Петр Кириллович скажет…
– Я тебе говорю – вздор, еще молоко не обсохло, а в военную службу хочет! Ну, ну, я тебе говорю, – и граф, взяв с собой бумаги, вероятно, чтобы еще раз прочесть в кабинете перед отдыхом, пошел из комнаты.
– Петр Кириллович, что ж, пойдем покурить…
Пьер находился в смущении и нерешительности. Непривычно блестящие и оживленные глаза Наташи беспрестанно, больше чем ласково обращавшиеся на него, привели его в это состояние.
– Нет, я, кажется, домой поеду…
– Как домой, да вы вечер у нас хотели… И то редко стали бывать. А эта моя… – сказал добродушно граф, указывая на Наташу, – только при вас и весела…
– Да, я забыл… Мне непременно надо домой… Дела… – поспешно сказал Пьер.
– Ну так до свидания, – сказал граф, совсем уходя из комнаты.
– Отчего вы уезжаете? Отчего вы расстроены? Отчего?.. – спросила Пьера Наташа, вызывающе глядя ему в глаза.

Помимо действия химических процессов, оказывающих влияние на свойства поверхности и фрикционное взаимодействие между твердыми телами, существует открытое и исследованное П.А. Ребиндером аналогичное смазочное средство, обусловленное чисто молекулярным взаимодействием смазки с твердыми поверхностями, получившее название «эффекта Ребиндера».

Реальные твердые тела имеют как поверхностные, так и внутренние дефекты структуры. Как правило, подобные дефекты обладают избыточной свободной энергией. За счет физической адсорбции молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) происходит снижение уровня свободной поверхностной энергии твердого тела в местах их посадки. Это уменьшает работу выхода дислокаций на поверхность. Поверхностно-активные вещества проникают в трещины и в межкристаллитное пространство, оказывая механическое воздействие на их стенки и, раздвигая их, приводят к хрупкому растрескиванию материала и уменьшению прочности контактирующих тел. И если подобные процессы развиваются только на выступах контактирующих тел, уменьшая сопротивление сдвигу неровностей этого материала, то в целом этот процесс приводит к выглаживанию поверхности, уменьшению удельного давления в контактной зоне и в целом

уменьшению трения и износа трущихся тел. Но если нормальные нагрузки при трении значительно увеличиваются, высокие удельные давления распространяются на всю контурную площадь, разупрочнение материала осуществляется на большом участке поверхности и приводит уже к очень быстрому ее разрушению.

Эффект Ребиндера широко используется как при разработке смазочных материалов (для этого в смазочный материал вводят специальные ПАВ), так и для облегчения деформирования и обработки материала при изготовлении деталей машин (для этого используются специальные смазки и эмульсии в виде смазочно-охлаждающих жидкостей СОЖ).

Проявление эффекта Ребиндера происходит на самых разнообразных материалах. Это и металлы, горные породы, стекла, элементы машин и оборудования. Среда, вызывающая понижение прочности, может быть газообразной и жидкой. Часто в качестве ПАВ могут выступать расплавленные металлы. Например, медь, выделившаяся при расплавлении подшипника скольжения, становится ПАВ для стали. Проникая в трещины и межкристаллическое пространство вагонных осей, этот процесс становится причиной хрупкого разрушения осей и причиной аварий на транспорте.

Не отдавая должного внимания природе процесса, мы часто стали сталкиваться с примерами, когда аммиак вызывает растрескивание латунных деталей, газообразные продукты сгорания резко ускоряют процесс разрушения турбинных лопаток, расплавленный хлористый магний действует разрушающе на высокопрочные нержавеющие стали и ряд других. Знания природы этих явлений открывает возможности направленно решать вопросы повышения износостойкости и разрушения ответственных деталей и узлов машин и оборудования, а при надлежащем использовании эффекта Ребиндера повышать производительность обрабатывающего оборудования и эффективность использования пар трения, т.е. экономить энергию.

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.

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 -- на 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, деформированного 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.
5. http://him.1september.ru/2003/32/3.htm
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

Этот роман – «собранье пестрых глав», где каждая глава названа строкой из Пушкина и являет собой самостоятельный рассказ об одном из героев. А героев в романе немало – одаренный музыкант послевоенного времени, «милый бабник», и невзрачная примерная школьница середины 50-х, в душе которой горят невидимые миру страсти – зависть, ревность, запретная любовь; детдомовский парень, физик-атомщик, сын репрессированного комиссара и деревенская «погорелица», свидетельница ГУЛАГа, и многие, многие другие. Частные истории разрастаются в картину российской истории XX века, но роман не историческое полотно, а скорее многоплановая семейная сага, и чем дальше развивается повествование, тем более сплетаются судьбы героев вокруг загадочной семьи Катениных, потомков «того самого Катенина», друга Пушкина. Роман полон загадок и тайн, страстей и обид, любви и горьких потерь. И все чаще возникает аналогия с узко научным понятием «эффект Ребиндера» – как капля олова ломает гибкую стальную пластинку, так незначительное, на первый взгляд, событие полностью меняет и ломает конкретную человеческую жизнь.

«Новеллы, изящно нанизанные, словно бусины на нитку: каждая из них – отдельная повесть, но вдруг один сюжет перетекает в другой, и судьбы героев пересекаются самым неожиданным образом, нитка не рвётся. Всё повествование глубоко мелодично, оно пронизано музыкой – и любовью. Одних любовь балует всю жизнь, другие мучительно борются за неё. Одноклассники и влюблённые, родители и дети, прочное и нерушимое единство людей, основанное не на кровном родстве, а на любви и человеческой доброте, – и нитка сюжета, на которой прибавилось ещё несколько бусин, по-прежнему прочна… Так человеческие отношения выдерживают испытание сталинским временем, «оттепелью» и ханжеством «развитого социализма» с его пиком – Чернобыльской катастрофой. Нитка не рвётся, едва ли не вопреки закону Ребиндера».

Елена Катишонок, лауреат премии «Ясная поляна» и финалист «Русского Букера»

На нашем сайте вы можете скачать книгу "Эффект Ребиндера" Елена Минкина-Тайчер бесплатно и без регистрации в формате fb2, rtf, epub, pdf, txt, читать книгу онлайн или купить книгу в интернет-магазине.