INTERACȚIUNEA SUPRAFETELOR SOLIDELOR CU MEDIUL
Moleculele mediului în procesul mișcării termice aleatorii se ciocnesc cu suprafața unui corp solid și interacționează cu acesta, aterizând în principal pe centrele active ale suprafeței, adică pe zonele în care marginile și fețele cristalitelor ies la suprafață, defecte ale dislocațiilor lattice atomice, atomi străini etc. care asigură o surplus (sursă liberă) de creștere a suprafeței și, prin urmare, interacțiunea cu moleculele dislocate avansează mai activ. Ca rezultat, concentrația de molecule ale mediului (numită în acest caz, adsorbată) în apropierea suprafeței solidului (în acest caz, adsorbantul) devine mai mare decât în volumul fazei lichide sau gazoase. Un astfel de proces se numește adsorbție pozitivă (sau pur și simplu adsorbție). Acesta trece spontan, deoarece asigură o reducere a energiei Gibbs a suprafeței, reducând tensiunea superficială și, prin urmare, reducerea riscului de aderență a suprafețelor în nodul de fricțiune. În acest caz, moleculele componentei medii care reduc preferențial tensiunea superficială interfacială sunt preferabile față de stratul de suprafață. Apoi se spune că această substanță este mai activă la suprafață.
Cea mai mare activitate de suprafață se manifestă prin moleculele polare ale mediului, adică molecule având un moment dipol rigid. Lubrifianții conțin un anumit număr de molecule, este o grupare polară (sau mai multe grupuri) conectate la un radical de hidrocarbură. Aceste molecule sunt depuse pe suprafața metalică de către un grup polar la suprafață. Se va aprecia că, ca urmare a emisiei de electroni de la suprafața straturilor de suprafață metalică sunt epuizate în electroni. Acest lucru determină existența unui strat dublu electric. La suprafața liberă, o regiune de sarcină negativă, iar cantitatea de metal în suprafață - pozitivă. Interacțiunea stratului dublu electric cu gruparea polară a moleculelor adsorbite pe suprafața monomolecular formate orientate (o moleculă grosime) strat de molecule adsorbite. radical la fiecare dintre aceste molecule cu (saturat) strat adsorbit umplut complet direcționat de-a lungul normală a interfeței, hidrocarbonat, astfel încât un fel de palisadă overlying suprafeței, adsorbția are loc la suprafața centrilor activi. Moleculele adsorbite legate prin forțe intermoleculare coezive care sunt atât de mari încât să permită să vorbească despre stratul orientat ca un cristal bidimensional.
Moleculele apoi peste un strat adsorbit monomolecular au fost orientate următoarele straturi, atât timp cât grosimea totală a stratului nu va depăși intervalul forțelor de suprafață (Fig. 1a). Se presupune că aceste forțe sunt suficiente pentru a menține stratul de zeci sau sute de nanometri grosime. Deoarece forțele de suprafață diminuează proporțional cu a treia sau a patra putere a distanței, fiecare asociat cu un strat de suprafață de metal este mai mică decât anterior. In afara straturilor de tranziție din stratul limita ce au format prin interacțiuni slabe între moleculele adsorbite (adică, grupările lor hidrocarbonate terminale) și molecule sau agregate de molecule ale mediului, ca lubrifianți sau -zhidkih plastic - molecule sunt, în general, agregate condiție. În cazul în care forțele de interacțiune cu suprafața este mai mare decât de legare a moleculelor în agregate forțele, aceste agregate sunt distruse și moleculele adsorbite la interfața sau în straturile de adsorbție deja formate. Altfel, ca G.I. Shore astfel agregate (micele) pot forma un strat limită (adsorbție micelare) (Fig. 1b). Potrivit lui Blum, micele formează un strat limită peste adsorbit (Fig. 1c). Mai jos considerăm că modelul de adsorbție moleculară este cel mai dezvoltat.
Fig. 1. Structura stratului de adsorbție limită: a - conform lui Deryagin; b - în funcție de Shore; in - potrivit lui Blum.
Moleculele nepolare pot forma, de asemenea, un strat limită, deoarece suprafața metalică induce un moment de dipol în acesta. Cu toate acestea, legătura lor cu suprafața este mult mai puțin puternică. În cazul în care compoziția mediului include componente polare și nepolare ale moleculelor polare pentru a forma un strat adsorbit orientat, în conformitate cu aceeași orientare ca și moleculele nepolare (vezi. Fig. 1 a).
Straturile limită de pe suprafața unui corp solid diferă foarte mult de proprietățile de proprietățile mediului în vrac. Potrivit A.S. Akhmatova, ele sunt ca un corp cristalin solid (orientarea particulelor), și au, de asemenea, o elasticitate reală a formei (respectarea legii Hooke). Straturile de graniță au o rezistență mare la compresiune și mult mai puțin o forfecare. Așa cum se arată de B.V. Deryagin, vâscozitatea straturilor de graniță este mult mai mare decât stratul vrac, iar vâscozitatea crește în jurnal în trecerea la stratul de graniță.
În literatura științifică sunt considerate două tipuri de adsorbție:
- adsorbția fizică (reversibilă) apare sub acțiunea forțelor van der Waals și este discutată mai sus. Energia de legare a moleculelor cu suprafața este mică (de la 5-10 kJ / mol pentru molecule simple și până la 40-80 kJ / mol pentru molecule complexe);
- adsorbția chimică (chemisorbția) apare sub acțiunea unei legături chimice între particulele de suprafață ale unui solid și moleculele mediului. Energia de legare a unei molecule chimisorbate cu o suprafață este mai mare decât cea a adsorbției fizice și este comparabilă cu energia reacției chimice (40-400 kJ / mol). Chemisorbția necesită de obicei o anumită energie de activare și, prin urmare, are loc la temperaturi peste o anumită temperatură minimă.
Dimpotrivă, adsorbția fizică scade odată cu creșterea temperaturii. O altă diferență între chemisorbție și adsorbția fizică este aceea că prima formează o fază bidimensională și încetează după umplerea stratului monomolecular. Deasupra stratului chemisorbit al moleculelor, este posibilă adsorbția fizică multiplă a moleculelor mediului.
Trebuie avut în vedere faptul că adsorbția asociată cu interacțiunea chimică nu are în mod necesar ca rezultat o scădere a energiei de suprafață a fazei solide.
O altă etapă în interacțiunea suprafeței unui solid cu componente active ale mediului este o reacție chimică cu formarea unui strat modificat chimic la interfață. Spre deosebire de chemisorbție, o reacție chimică conduce la formarea unui strat de produs al acestei reacții, cu alte cuvinte, o fază tridimensională.
Un exemplu caracteristic al interacțiunii suprafețelor de solide cu mediul este oxidarea lor.
Aproape toate suprafețele solide, în special metale, din momentul formării sale, în contact cu aerul. Componenta activă a aerului - oxigen - chimic pe suprafața metalică. Aici disociază molecula diatomice, deoarece energia de interacțiune cu suprafața mai multă energie a atomilor în moleculă. Ulterior, oxigenul reacționează cu suprafața pentru a forma pelicula de oxid sunt structuri cristaline în general. Rata de formare a oxizilor este suficient de mare. In metale, cum ar fi Fe, Cu, Al, mai puțin de 5 minute, după prelucrare, chiar și la temperatura camerei, se formează la o grosime a filmului de 10 nm, iar temperatura crește viteza de formare a oxidului crește de film. Acoperirea suprafeței stratului metalic a cărui grosime este mai mare decât raza forțelor de atracție care acționează între solide, oxizi, caracteristicile de uzură ale montei, deoarece pelicula de oxid sunt mult mai puțin decât aderența dintre aderența suprafețelor metalice atomically Depoluarea îmbunătățirea frecare.
Este necesar să se ia în considerare o consecință importantă a adsorbției mediului activ pe suprafață pe suprafețe solide. Academician P.A. Rebinder a stabilit că acest lucru are loc cel mai subțire plastifiere (adâncimea la circa 0,1 microni), un strat de suprafață de solide (ambele metale și nemetale), facilitând deformabilitatea, reducând rezistența (apariția ruperii casante la tensiuni joase până la dispersia spontană) și duritatea. Acest efect (cunoscut în literatura de specialitate „efect Rebinder“) are un impact semnificativ asupra atat taierea si tratamentul presiunii, facilitarea acestor procese, iar procesul de frecare. Termodinamic efect Rebinder poate fi explicată prin scăderea energiei libere de suprafață a solidelor care rezultă din impactul adsorbția media tensioactive.
efect adsorbției activ media plastifiere pare să faciliteze eliberarea dislocations asupra surselor de dislocare de suprafață de suprafață și de nucleație. Pe lângă manifestările exterioare Rebinder efectul secreta forma sa interioară, care este determinată de absorbția surfactanți pe suprafețele interioare ale microfisurilor germinale secțiune care rezultă din deformarea solidelor. Acest lucru facilitează dezvoltarea microfisurilor ( „cofrare“ efect) și conduc la rupere fragilă a substanței solide. Efectul se manifestă Rebinder sub acțiunea combinată a mediului activ de suprafață și starea de stres. Deci, în conformitate cu G.I. Fuchs, un suport activ de suprafață scade subțire duritatea indentare straturilor de suprafață de metal. Activitatea Adsorbția este prezentat, în special, hidrocarburi cu diferite grupări polare (în ordinea descrescătoare a capacității de adsorbție): -OH, -COOH, -NH2. -COOR. Când această reducere mai mare a rezistenței de suprafață furnizează substanțe cu o catenă de hidrocarbură scurtă care aparent le permite să penetreze cu ușurință în microfisurile. Prezintă o activitate de adsorbție semnificativă a metalului fuzibil se topește în raport cu mai refractar.
deformare plastică în formarea metalului și prelucrarea crește foarte mult activitatea fizico-chimice a straturilor de suprafață. Acest lucru determină în mare măsură structura și proprietățile straturilor formate pe suprafața pieselor, și cinetica chimică a adsorbției fizice și interacțiuni chimice. Când deformarea metalului (elastic sau plastic), în conformitate cu Van Buren, practic toată energia stocată în energia consumată în timpul formării sau pentru a crește energia de interacțiune a defectelor cu zăbrele. Astfel, concentrația defectelor, starea de non-echilibru care caracterizează metalul din tulpina 10%, până la 18 octombrie -10 19 cm -3. Studiile arată că stratul de suprafață al structurii metalice după prelucrarea reprezintă numărul straturilor (Fig 2.) Dispus în următoarea ordine (de la suprafață în metal): 1 - un strat format din impurități (adsorbit din lichidul de răcire și t e) A .; 2 straturi de gaz adsorbit; 3 straturi de oxid; 4 - călit în timpul stratului de prelucrare constând din foarte deformat sub acțiunea boabelor normale și tangențiale forțe; 5 - metal cu structura originală.
Fig. 2. Structura stratului de suprafață al piesei de oțel șlefuite.
Proprietățile fizico-chimice ale straturilor superficiale ale metalului determinate de procesele care au loc în tratamentul mecanic (călire datorită deformării plastice - calire, înmuiere datorită influenței temperaturii generate în timpul prelucrării, - concediu); adsorbție fizică și chemisorption cu scăderea rezistenței de adsorbției (cel mai intens manifestat în eforturilor de întindere create în materialul, care este tipic de frecare de alunecare). In cazul cel mai general, schimbări subtile în duritatea straturilor de suprafață, la o adâncime a condițiilor de prelucrare și în condiții de frecare de alunecare au forma prezentată în Fig. 3.
Fig. 3. Modificarea grosimii Hμ a stratului de suprafață al metalului în funcție de distanța h de la suprafață până la interiorul metalului: 1 - după prelucrare; 2 - după operație.
Conform formulării I.V. regula KRAGELSKY gradient pozitiv al proprietăților mecanice ale metalelor în profunzime, frecare exterior (opusă frecării interne, care apare atunci când distrugerea superficiale și profunde straturi situate corpurile de frecare) deține, în cazul în care dHμ / dH> 0. Furnizarea gradient pozitiv de mecanică straturi de profunzime pot fi realizate în cadrul procesului de prelucrare (de exemplu, prin depunerea filmelor subțiri de metal sau polimer moale decât metalul de bază), sau prin adsorbție sau chemisorption a moleculelor componente active Lube, sau prin introducerea între corpurile de frecare ale materialului solid, lichid sau gazos, cu o durată mai mică de forfecare decât materialul organelor de fricțiune.
Acest site a fost creat cu uCoz
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: