10.5. Вплив плівок і покриттів на властивості твердих тіл

В 20…30 роки було виявлено, що присутність деяких органічних кислот на поверхні твердих тіл викликає пластифікацію і зниження міцності цих тіл. В результаті досліджень були отримані результати, які можуть бути представлені у вигляді таких чотирьох відомих ефектів.

Ефект Крамера (незміцнюючий ефект)

Першим ефектом був ефект Крамера, який у 1950 р., спостерігаючи пластифікування при впливі кислот, висунув припущення про те, що на поверхні утворюються хімічні сполуки. Оскільки утворення таких сполук не можна було пояснити звичайними хімічними реакціями, він припустив, що ініціаторами реакцій є електрони, що випускаються поверхнею при деформації (екзоелектрони). Він вважав, що ці екзоелектрони служать джерелом енергії, необхідної для протікання поверхневих реакцій і утворення сполук, що змінюють механічні властивості поверхневого шару.

Подальші дослідження показали, що причиною екзоелектронної емісії з поверхні твердого тіла є не деформація цієї поверхні, а її взаємодія з навколишнім середовищем. Таким середовищем може служити кисень, при взаємодії якого з поверхнею (хемосорбція, потім реакція окислювання) спостерігається звільнення енергії у формі емісії екзоелектронів.

Основним є той факт, що природа екзоелектронної емісії – це хімічні процеси, а не деформація або механічна обробка, що супроводжуються утворенням свіжої поверхні твердого тіла.

Ефект Роско (зміцнюючий ефект)

Другим ефектом, обумовленим дією плівок на механічні властивості твердих тіл, є ефект Роско. Зокрема, Роско, спостерігаючи вплив оксидних плівок на мікротвердість кристалів кадмію, цинку, виявив зменшення пластичної деформації кристала, підвищення мікротвердості поверхневого шару при наявності плівок оксидів.

Ефект Іоффе (незміцнюючий ефект)

Третім з поверхневих ефектів є ефект Іоффе, що спостерігається в присутності водних плівок на поверхні галоїдних кристалів. Такий звичайно тендітний матеріал, як хлористий натрій (поварена сіль) стає більше пластичним. Брусок із солі, що згинається на повітрі, звичайно руйнується на шматки. У водяному розчині ту ж пластину можна зігнути як шматок пластиліну. Це свідчить про те, що зародження тріщин на поверхні блокується в присутності поверхово - активних речовин. Ефект приводить до підвищення пластичності поверхневого шару, поряд із придушенням зародження й росту тріщин руйнування. Середовищем, у якій реалізується ефект Іоффе, можуть бути не тільки вода, але й інші речовини – кисень, водень.

Ефект Ребіндера (незміцнюючий ефект)

П.А. Ребіндер установив, що добавка деяких органічних кислот до вазелінового масла збільшує пластичність змазаних поверхонь твердих тіл, ступінь їхньої деформації й, таким чином, знижує твердість поверхневих шарів цих тел. Присутність органічних сполук на поверхні впливає на механічний стан матеріалів.

Він виявив, що органічні речовини знижують зсувну міцність і твердість металів і неметалів.

Суть адсорбційного ефекту Ребіндера: адсорбція середовища знижує рівень поверхневої енергії металів, полегшує утворення нової поверхні, знижує потенційний бар'єр для виходу дислокацій на поверхню твердого тіла пластифікує його.

Підсумовування поверхневих ефектів

На рис.10.3 представлена крива напруга-деформація для матеріалів у звичайному стані (крива 1), із плівкою поверхнево-активної речовини на поверхні – ефект Ребіндера (крива 2) і із плівкою оксиду – ефект Роско (крива 3).

Ці ефекти принципово відрізняються друг від друга стосовно нормального стану; один з них зміцнює матеріал (ефект Роско), іншої – знеміцнює (ефект Ребіндера).

Рис.10.3. Схематичне представлення поверхневих ефектів