ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
раздел современной коллоидной химии, изучающий зависимость структурно-механических
свойств дисперсных систем и материалов от физико-химических явлений
на поверхностях раздела фаз (поверхностных явлений). Ф.-х. м. возникла
в 30 - 40-х гг. 20 в. и оформилась как самостоят. науч. дисциплина в 50-х
гг. преим. благодаря работам сов. учёных, прежде всего П. А. Ребиндера.
Ф.-х. м. тесно связана с др. областями коллоидной химии (учением о
поверхностных явлениях и поверхностных силах, физико-химией адсорбции
и поверхностно-активных веществ, исследованиями устойчивости
дисперсных систем, молеку-лярно-кинетич., оптич., электрич. свойств дисперсных
систем), а также с молекулярной физикой, физикой и физико-химией
реального твёрдого тела, физико-химией полимерных материалов, реологией,
механохимией, с рядом разделов геологич. и биологич. наук.
Объекты изучения Ф.-х. м.-
природные дисперсные системы (горные породы и почвы, ткани растений и животных),
дисперсные системы в различных технологич. процессах (порошки, пасты,
суспензии, напр. промывочные растворы для бурения, эмульсии, смазочно-охлаждающие
жидкости) и разнообразные материалы, используемые в пром-сти (инструментальные,
конструкционные, строительные) и в быту. Ф.-х. м. рассматривает характерное
для этих систем и материалов гетерогенное макро-или микронеоднородное строение,
в к-ром проявляется универсальность дисперсного состояния вещества. Такие
системы и материалы состоят из связанных между собой частиц (глобул, зёрен,
волокон и др.), весьма разнообразных по размерам, но существенно превышающих
размеры отдельных молекул и сохраняющих все осн. физико-химич., в т. ч.
ме-ханич., свойства данного вещества.
Ф.-х. м. различает след.
осн. типы пространственных структур, образуемых частицами, в различных
физико-химич. условиях. Коагуляционные структуры, в к-рых взаимодействие
частиц ограничивается их соприкосновением - непосредственным (напр., в
сыпучих структурах) или через остаточные слои дисперсионной среды (в суспензиях
и пастах); при этом сила сцепления в контакте (прочность) не превосходит
обычно 10-8-10-7 н (10-3-10-2
дин). Для таких структур характерна механич. обратимость, обусловливающая,
в частности, их тиксотропию. Структуры с фазовыми контактами, развитыми
на площади, значительно превосходящей молекулярные размеры. Эти структуры,
как правило, механически необратимы, прочность контактов в них 10-7
-10-6 и (10-2-10-1'дин) и выше. Фазовые
контакты развиваются в различных неорганических и органических, кристаллических
и аморфных дисперсных системах и материалах при спекании, прессовании,
изотермической перегонке, а также при выделении новой, высокодисперсной
фазы в пересыщенных растворах и расплавах, напр. в минеральных вяжущих
и полимерных материалах; сплошные материалы, в частности металлы и сплавы,
можно рассматривать как предельный случай полного срастания зёрен. Каждая
структура характеризуется определённой дисперсностью: размером частиц и,
следовательно, числом контактов на 1 см2 сечения, к-рое
составляет, напр., 102-103 для порошков с частицами
в десятые доли мм и достигает 1011-1012 для
таких высокодисперсных систем, как алюмосиликагели.
Ф.-х. м. рассматривает механические
(реологические) свойства - наиболее общие и важные характеристики всех
дисперсных систем и материалов в зависимости от их структуры, обусловленной
взаимодействием частиц; таковы вязкость, пластичность, тиксо-тропное поведение
коагуляционных структур с определённой зависимостью сопротивления сдвигу
от скорости течения, упруго-пластическое и упруго-хрупкое поведение твердообразных
дисперсных систем и материалов (с фазовыми контактами), характеризующихся
определённой прочностью, долговечностью, износостойкостью. Так, в простом
случае глобулярной пористой монодисперсной структуры прочность может быть
приблизительно равна произведению числа контактов между частицами (на 1
см2) и средней величины силы сцепления в отдельном контакте,
изменяясь в зависимости от типа контактов и дисперсности в очень широких
пределах (напр., от 10 до 108 и/м2).
Вместе с тем Ф.-х. м. устанавливает
определяющую роль физико-химич. явлений на границах раздела фаз (смачивание,
адгезия, адсорбция, изменение величины межфазного натяжения, образование
особых граничных слоев) во всех процессах взаимодействия частиц и струк-турообразования.
На этой основе Ф.-х. м. развивает свои ведущие представления о возможности
и эффективности управления структурно-механич. свойствами дисперсных систем
и материалов при
оптимальном сочетании механич.
воздействий (напр., вибрационных, импульсных) н физико-химич. факторов,
прежде всего состава среды и малых добавок поверхностно-активных веществ.
Последние, концентрируясь на границах раздела (адсорбируясь на поверхности
частиц), позволяют при правильном их выборе радикально изменять свойства
данной границы в нужном направлении, обеспечивая хорошее сцепление частиц,
либо, наоборот, ослабляя и преодолевая силы сцепления. Так, в лиофобных
системах (стеклянные частицы в углеводородных средах, гидрофобизованные
поверхности в полярных жидкостях и др.) свободная энергия достигает в коагуляционных
контактах десятков эрг/см2, а в лиофильных системах (напр.,
гидрофобизованные монослоями поверхностно-активных веществ полярные частицы
в углеводородной среде) составляет сотые доли эрг/см2.
В соответствии с явлениями
и процессами, рассматриваемыми Ф.-х. м., можно выделить следующие её основные
направления: 1) изучение возникновения и разрушения всевозможных пространственных
структур как взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды,
включая и различные этапы получения материалов (в том числе композиционных)
с заданной дисперсной структурой и совокупностью механич. и физико-химич.
характеристик; 2) исследование физико-химич. влияния среды и её поверхностно-активных
компонентов на механич. свойства разнообразных сплошных и пористых твёрдых
тел и материалов (Ребиндера эффект), выяснение условий использования
эффекта Ребиндера для облегчения обработки материалов и предотвращения
его возможного вредного влияния; 3) анализ закономерностей и механизма
сцепления поверхностей твёрдых тел (контактных взаимодействий) в условиях
граничного трения, износа, смазывающего действия, формирования покрытий
и др.
Для Ф.-х. м. характерно всестороннее
изучение структурно-реологических (особенно нелинейных) характеристик дисперсных
систем при широком варьировании условий: напряжённого состояния, температуры,
состава среды, пересыщений и др.; непосредственное экспериментальное изучение
элементарных актов при контактных взаимодействиях; разнообразные механич.
испытания твёрдых тел и материалов в активных средах; использование математич.
моделирования и численных методов для описания реологических свойств
дисперсных систем и для анализа молекулярного механизма влияния среды.
На основе общих принципов
Ф.-х. м. разработаны методы диспергирования и управления свойствами дисперсных
систем и различных материалов, широко используемые: 1) в гетерогенных химико-технологич.
процессах (напр., при произ-ве бумаги, в текстильной и лакокрасочной пром-сти,
при получении теста и кондитерских масс, топливных композиций и др.); 2)
при приготовлении всевозможных материалов, напр. керамики, катализаторов
и сорбентов, разнообразных полимерных материалов, при затво-рении цементного
раствора, подготовке асфальтобетонов, формовочных земель, составлении композиций
в порошковой металлургии, закреплении грунтов. 3) для облегчения процессов
помола, бу-
рения твёрдых горных пород,
измельчения руды перед обогащением, обработки резанием; и наоборот, для
повышения стойкости и долговечности конструкционных и др. материалов в
активных средах; 4) для оптимизации контактных взаимодействий, напр. при
обработке металлов давлением, при эксплуатации узлов трения в машинах,
механизмах и приборах. Лит.: Ребиндер П. А., Физико-химическая механика,
М., 1958; Лихтман В. И., Щукин Е. Д., Ребиндер П. А., Физико-химическая
механика металлов, М., 1962; Физико-химическая механика дисперсных структур.
Сб., М., 1966; Успехи коллоидной химии, М., 1973. Е. Д. Щукин.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я