
- •1 Хімічна термодинаміка 4
- •2 Дисперсні системи 32
- •3 Поверхневі явища 64
- •1 Хімічна термодинаміка
- •1.1 Основи фізичної хімії. Хімічна термодинаміка
- •1.1.1 Основні поняття і терміни хімічної термодинаміки
- •1.1.2 Перший закон термодинаміки
- •1.1.3 Теплові ефекти фізико – хімічних процесів
- •1.1.3.1 Розрахунки теплових ефектів
- •1.1.4 Висновки з закону Гесса
- •1.1.5 Залежність теплового ефекту процесу від температури
- •1.2 Напрямок перебігу фізико – хімічних процесів
- •1.2.1 Другий закон термодинаміки
- •1.2.2 Ентропія
- •1.2.3 Третій постулат термодинаміки
- •1.2.4 Зміна ентропії у фізико-хімічних процесах
- •1.2.5 Вільна енергія і напрямок хімічних реакцій
- •Приклади рішення задач
- •Розв’язок
- •Відповідь: 159,9 Дж/моль·к.
- •2 Дисперсні системи
- •2.1 Класифікація дисперсних систем
- •2.1.1 Основні терміни колоїдної хімії
- •2.1.2 Класифікація дисперсних систем
- •2.1.2.1 За характером дисперсності
- •2.1.2.2 За ступенем дисперсності
- •2.1.2.3 За агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища
- •2.1.2.4 За характером взаємодії між частинками дисперсної фази і дисперсійним середовищем
- •2.1.2.5 За характером взаємодії між самими частинками дисперсної фази
- •2.1.2.6 За формою частинок дисперсної фази (за топографічною ознакою)
- •2.1.3 Одержання і очистка дисперсних систем
- •2.1.3.1 Основні методи одержання дисперсних систем
- •2.1.3.2 Очистка колоїдних систем
- •2.2 Молекулярно-кінетичні властивості дисперсних систем
- •2.2.1 Броунівський рух
- •2.2.2 Дифузія
- •2.2.3 Осмотичний тиск
- •2.2.4 Седиментація
- •2.2.4.1 Седиментаційно-дифузійна рівновага
- •2.2.4.2 Седиментаційний аналіз
- •2.2.5 Оптичні властивості дисперсних систем
- •2.2.5.1 Розсіяння світла
- •2.2.5.2 Оптичні методи дослідження дисперсних систем
- •Контрольні питання
- •Приклади розв’язку задач
- •3.1.2 Поверхневий натяг
- •3.1.3 Класифікація поверхневих явищ
- •3.1.4 Поверхневий натяг на межі двох рідин. Взаємне розтікання рідин
- •3.1.5 Адгезія і когезія. Явища розтікання та змочування
- •3.1.5.1 Поняття про когезію та адгезію
- •3.1.5.2 Змочування поверхні твердого тіла рідиною
- •3.1.5.3 Адгезія між твердим тілом і рідиною
- •3.1.5.4 Капілярні явища
- •Контрольні питання
- •3.2 Поверхневі явища на межі тверде тіло – газ, тверде тіло – рідина, рідина – газ, рідина – рідина, тверде тіло – рідина, тверде тіло – тверде тіло
- •3.2.1 Кількісна характеристика адсорбції. Величини адсорбції
- •3.2.2 Рівняння стану адсорбції
- •3.2.3 Теплота адсорбції
- •3.2.4 Залежність адсорбції від температури та природи газу
- •3.2.5 Фізична адсорбція газів і парів на гладкій твердій поверхні. Закон Генрі
- •3.2.6 Теорія адсорбції і рівняння Ленгмюра
- •3.2.7 Ізотерма адсорбції Фрейндліха
- •3.2.8 Рівняння бет (Брунауера,Еммета,Теллера)
- •Аналогічно
- •3.2.9 Швидкість адсорбції
- •3.2.10 Хімічна адсорбція газів на твердій гладкій і пористій поверхні
- •3.2.11 Капілярна конденсація
- •Отже, при сталій температурі
- •Контрольні питання
- •3.3 Електричні явища на межі тверде тіло – рідина. Будова міцели
- •3.3.1 Електрокінетичні явища
- •3.3.2 Утворення і будова подвійного електричного шару на межі тверде тіло – рідина
- •3.3.2.1 Механізм утворення пеш
- •3.3.2.2 Термодинамічне співвідношення між поверхневим натягом і електричним потенціалом
- •3.3.2.3 Теорія будови пеш Гельмгольца-Перрена
- •3.3.2.4 Теорія будови пеш Гуї-Чепмена
- •3.3.2.5 Теорія будови пеш Штерна
- •3.3.3 Вирази для дзета-потенціалу
- •3.3.4 Вплив різних факторів на дзета-потенціал
- •3.3.4.1 Вплив індиферентних електролітів
- •3.3.4.2 Вплив неіндиферентних електролітів
- •3.3.4.3 Вплив pH-середовища
- •3.3.4.4 Вплив концентрації колоїдної системи
- •3.3.4.5 Вплив температури
- •3.3.4.6 Вплив природи дисперсійного середовища
- •3.3.5 Міцелярна теорія колоїдних розчинів
- •3.3.6 Йонна адсорбція з розчинів на твердому адсорбенті
- •3.3.6.1 Йонообмінна адсорбція
- •3.4 Стійкість дисперсних систем
- •3.4.1 Види стійкості дисперсних систем
- •3.4.2 Процеси, обумовлені агрегативною нестійкістю
- •3.4.3 Фактори стійкості дисперсних систем
- •3.4.4 Коагуляція гідрофобних золів
- •3.4.4.1 Коагуляція під дією електролітів. Правило Шульце−Гарді
- •3.4.4.2 Гетерокоагуляція. Взаємна коагуляція золів
- •3.4.5 Теорії стійкості і коагуляції
- •3.4.5.1 Адсорбційна теорія коагуляції г.Фрейндліха
- •3.4.5.2 Електростатична теорія коагуляції г.Мюллера
- •3.4.5.3 Теорія стійкості систем длфо
- •3.4.5.4. Вплив концентрації електроліту на потенціальні криві взає-модії частинок
- •3.4.6 Швидкість коагуляції
- •3.4.7 Колоїдний захист
- •Контрольні питання
- •Розв’язок
- •Розв’язок
- •3.5 Характеристика мікрогетерогенних дисперних систем План
- •Металокерамічні матеріали
- •3.5.1 Дисперсні системи з газовим дисперсійним середовищем (аерозолі)
- •3.5.2 Дисперсні системи з рідинним дисперсійним середовищем
- •3.5.2.1 Суспензії
- •3.5.2.2 Емульсії
- •3.5.2.3 Латекси
- •3.5.3 Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем (тверді золі, солідозолі)
- •3.5.3.1 Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем і газоподібною дисперсною фазою (тверді піни)
- •3.5.3.2 Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем і рідинною дисперсною фазою (тверді емульсії)
- •3.5.3.3 Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем і твердою дисперсною фазою
- •3.5.4 Композиційні матеріали (композити)
- •3.5.4.1 Металокерамічні матеріали
3.5.4.1 Металокерамічні матеріали
Металокерамічні матеріали – це особливий вид композиційних матеріалів, які одержуються спіканням композицій металічних порошків з металічними порошками. З точки зору колоїдної хімії гетерогенні полідисперсні багатокомпонентні системи, які складаються з двох або декількох дисперсних фаз. Металокераміка є продуктом т.зв. порошкової металургії. Сучасна порошкова металургія розвивається у двох основних напрямках :
1) створення матеріалів і виробів з таким складом, структурами і властивостями, які недосяжні при звичайній плавці;
2) створення матеріалів і виробів зі звичайними властивостями, але з більш вигідними техніко-економічними показниками виробництва, ніж при технології, основаній на плавці.
Технологія виготовлення металокерамічних матеріалів і виробів складається із таких основних стадій :
а) одержання порошків;
б) складання шихт;
в) формування заготовок (брикетів);
г) спікання;
д) переробка спечених заготовок у виріб.
Іноді формування і спікання об'єднуються ("гаряче пpесування"), і тоді операція формування виключається, і спіканню піддають порошок, вільно (або з вібраційною утряскою) насипаний у вогнетривку форму. В порошковій металургії відсутнє повне розплавлення шихти при спіканні компактної заготовки або виробу, але процеси плавлення не виключаються цілком. Іноді часткове і навіть повне розплавлення вихідної шихти застосовують, як операцію, яка передує одержанню порошка; так, наприклад, порошки крихких сплавів і інтерметалідів зручно одержувати подрібненням злитка, а алюмінієвий, а іноді і залізний порошки - розпиленням розплавленого металу. Часткове утворення рідинної фази зустрічають і в деяких варіантах спікання.
Найважливішими матеріалами, виготовленими методами порошкової металургії є : пористі матеріали (пористі підшипники, металічні фільтри, пористі акумуляторні пластинки, "потіючі" деталі а безперервним виділенням відповідної рідини із пор), фрикційні матеріали, електричні контакти, магнітні матеріали і власне кермети (кераміко-металічні матеріали і вироби).
Регулюванням зернистості вихідних порошків та режимів пресування і спікання можна створити вироби з дисперсною і рівномірно розподіленою пористістю, що не можна досягнути методами плавки.
♦Пористі підшипники виготовляють з бронзи, заліза, іноді з алюмінію. Суміш металічних порошків і графіту (2-3 %) пресують до заданої пористості (25-40%,) і спікають. Включення графіту створює т.зв. "суху" змазку. Такі підшипники працюють без зовнішньої змазки, що є важливим у вузлах, де важко проводити змазку, або при небезпеці забруднення продукції (в харчовій, текстильній і ін. галузях промисловості).
♦Металеві фільтри, які використовують для очистки мастил, рідкого палива, різних рідин, виготовляють спіканням монодисперсних порошків металів з гладкою поверхнею.
♦Фрикційні матеріали (для гальмівних пристроїв) – це складні багатокомпонентні композиції з рівномірним розподілом різних за властивостями металевих і неметалевих частинок. Приклад металокeрaмічної композиції : 60-70 % Сu, 5-10 % Sn, 6-15% Pb, 5-10 % Fe, 5-7%графіту і 3-6 % кварцу. Суміш напресовують на покриті міддю або оловом стальні диски і в процесі наступної стадії спікання під навантаженням антифрикційний шар міцно припікається до основи, Сu і Sn утворюють теплопровідну і міцну бронзову основу; включення Fe збільшує опір зносу; співвідношення графіту і кварцу визначають коефіцієнт тертя; Pb , розплавляючись при перегрівах, знижує тертя.
♦Електричні контакти одержують методом порошкової металургії із композицій металів і неметалів, або із металів, які не сплавляються між собою. Прикладом перших служать мідно- (або бронзово графітові) ковзні контакти (електрощітки) для електричних машин. Графітові частинки захищають контакти від налипання, зноcу та іскроутворення.
Прикладом композиції металів, що не сплавляються, служать вольфрамово-мідні контакти, які застосовують для контактної зварки. Для різних призначень застосовують різноманітні контактні композиції :W-Ag, Mo-Ag, Ag-Cd, Ag - CdO, W - Cu та ін.
Важливе значення мають металокерамічні контакти в потужних вимикачах для ліній електропередач і в інших подібних пристроях.
♦Магнітні матеріали. Методами порошкової металургії виробляють магнітні матеріали: сталі магніти, магніто-м'які матеріали, магнітодіелектрики.
Литі сплави сталих магнитів типу "алніко" ( Аl -Fe-Ni- Co ), "алсіфер" ( Аl -Si - Fe ) та ін. одержують грубозернистими і крихкими з включеннями Al2O3 . При виготовленні із них виробів складної форми буває багато браку і відходів (більше 50 %) на операціях лиття і обробки шліфуванням. Металокерамічний метод усуває ці труднощі; одержуються вироби з дрібнозернистою щільною структурою, кращі від литих за міцністю.
Вироби із магнітом'яких матеріалів (з високого магнітною проникливістю, залишковою індукцією і малою коерцетивною силою) із порошку Fe або зі сплавів типу пермаллой, (78,5% Ni, решта Fe, іноді ~ 4 % Mo) також вигідно виготовляти металокерамічним методом, що дає невеликі відходи. Чистота вихідних порошків, можливість їх точного шихтування і заданий склад, однорідна дрібнозерниста структура виробів забезпечує їх високі та однорідні магнітні властивості. Методом металокераміки виготовляють також оксидні магнітом'які матеріали типу феритів (СоО, Fе2O3 тощо).
Магнітодіелектрики. Для сердечників індукційних високочастотних котушок, для усунення втрат на струми Фуко, магнітодіелектрики виготовляють пресуванням суміші дрібнозернистих порошків заліза або сплавів типу пермаллой, тощо з електроізолюючими пластмасами, лаками, силікатами. В результаті створюється своєрідна структура, в якій частинки металу ізольовані одна від одної якнайтоншими прошарками діелектрика. Брикети з пластмасовими прошарками нагрівають до 150-180°С для полімеризації прошарків, а з силікатними і оксидними прошарками, - спікають. Подібні сердечники в порівнянні і зі звичайними індукційними котушками дають економію в габаритних об'ємах в 5 разів, у вазі - на 35-50 %, в довжині проводу індукційної котушки - на 50-70 %.
Кермети (керамікометалічні вироби) - гетерогенні композиції із металів і неметалів, які суміщають тугоплавкість, твердість і жаростійкість кераміки з провідністю, пластичністю, термостабільністю і іншими властивостями металів. Як неметалічні компоненти використовуються різні тугоплавкі оксиди, металоподібні сполуки перехідних металів (карбіди, бориди, нітриди), деякі силіциди і інші неметалічні речовини, що відрізняються хімічною стабільністю, високою твердістю і високою температурою плавлення. Як металічну складову керметів використовують, головним чином, метали і сплави групи заліза ( Fe , Nі , Co ) і перехідні метали VІ групи (Сr , Mg , W) , іноді легкі метали( Аl і ін.).
Кермети одержують методами порошкової металургії. Для одержання компактних композицій, які зберігають і кращим чином об'єднують цінні властивості вихідних компонентів, стараються забезпечувати в керметах міцні міжфазові зв'язки, в утворенні яких значну роль відіграють адгезія, обволікання. При цьому суттєве значення має характер взаємодії фаз на поверхні їх розподілу, величина і стан контактної поверхні, поверхневий натяг, а також можливість утворення в процесі виготовлення керметів тонких, рівномірно розподілених прошарків проміжного складу (обмежені тверді розчини, сполуки типу шпінелів тощо). В деяких випадках при виготовленні керметів металічний компонент вводять в розплавленому стані (просочування заготовки) або використовують часткове розплавлення металу в процесі спікання брикету із суміші порошків металічних і неметалічних компонентів (спікання з участю рідинної фази). В цих випадках велике значення набуває змочування.
Для одержання керметів міцних і стабільних в широкому діапазоні температур, як правило, необхідні:
а) висока дисперсність і рівномірний розподіл в структурі керметів металічних і неметалічних фаз;
б) утворення в структурі безперервного пластичного металічного скелету або основи (наскрізний металічний зв'язок) або (і) відповідного твердого неметалічного каркасу;
в) обмеження аж до високих температур взаємної розчинності компонентів і їх хімічної взаємодії;
г) порівняно близька величина коефіцієнта термічного розширення обидвох компонентів в широкому інтервалі температур;
д) можливість регулювання термічного розширення, міжфазової поверхневої енергії і змочуваності методом варіювання складу, режиму термообробки і добавляння спеціальних присадок;
е) відсутність в компонентах кермету аж до високих температур поліморфних перетворень, які супроводжуються значною зміною об'єму і властивостей компонентів.
За складом розрізняють: оксидні кермети, що містять оксиди Al, Be, Mg, Zr, Tb, U і ін.; карбідні кермети, які включають в свій склад карбіди перехідних металів (Mo, Ті, Nb , Cr і ін.), а також складні карбіди (тверді розчини карбідів) цих елементів; боридні кермети, що містять переважно бориди тугоплавких металів (цирконію, титану і ін.). За властивостями і застосуванню розрізняють кермети :
1) які використовують при високих температурах (деталі газових турбін, ракетної і реактивної техніки, електропічна арматура, тиглі для розплавів і ін.). До цієї групи відносяться композиції : Аl2О3-Сr2О3; Аl2О3-ThO2-Cr-Mo; Al2O3-W-Cr ; а також велика група керметів на основі карбіду титану з Ni, Co, Cr, Мo, W, Аl і їх сплавами;
2) які відрізняються високою твердістю, зносостійкістю і використовуються як ріжучі інструменти і деталі, що працюють на знос. До цієї групи керметів відносяться композиції WC-Co;WC - ТіС-Со і інші;
3) кермети з особливими фізичними властивостями, які використовуються в спеціальних областях техніки : в атомних ре акторах (тепловиділяючі елементи і інші деталі із композицій VО2-Al ; MgO-Ni , Al2O3-Cr); в електротехніці і електронній техніці (наприклад, графіт-мідь для електрощіток; ThО2-Mo або ThO2-W для посилення емісійної здатності і ін.), в гальмівних пристроях (деякі фрикційні матеріали, що містять по декілька металічних і неметалічних компонентів: Сu,F8,Pb,SiO2 i ін.; як корозійно стабільних матеріалів (наприклад, Cr2O3-W-Ni) для виробів, що працюють в агресивних середовищах.
Найбільше значення мають металокерамічні карбідні тверді сплави, що є найбільш ефективнішими зі всіх інструментальних матеріалів, а також високотемпературні кермети. Підбираючи склад і режим обробки, можна добитися дуже високих характеристик жароміцності і жаростійкості керметів. Так, сплав КІ83А складу ТіС (60 %) - Ni (32 %) -Cг(2,5 %) - Mo(3 %)-Аl(2,5%) володіє довгою (100 год) міцністю при 1000°С (біля 20 кг/мм2). Композиція Аl2О3(70 %) - Сr (30 %) стабільна проти окиснення до 1200°С і показує при 1300°С міцність на згин більше 18 кг/мм2. Задовільна міцність цієї композиції може бути поліпшена в два рази за рахунок збільшення частки металічної фази до 60 % ваги. Стабільність проти окиснення композиції на основі ТіС (з металічним зв'язуючим у вигляді Ni, Ni-Сr і ін.) можна суттєво підвищити добавками карбідів Тa, Nb , а також невеликих кількостей Сr . Основним недоліком всіх керметів є їх низька динамічна міцність. Деяке підвищення її може бути досягнуто збільшенням в їх складі частки металу, іноді застосовують поверхневе збагачення металами, одержують кермети змінного складу або покривають кермети металами.
Контрольні питання
Дайте характеристику дисперсним системам з газовим дисперсійним середовищем .
Що таке суспензії? Їх характеристика і приклади.
Емульсії, їх властивості і використання.
Типи емульсій, емульгатори, інверсія емульсій.
Дайте коротку характеристику латексам.
Піни. Утворення, властивості, руйнування.
Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем
Що таке тверді піни і пінопласти? Їх одержання.
Поропласти і еластомери, їх характеристика.
Що таке тверді емульсії?
Опишіть дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем і твердою дисперсною фазою.
Композити і їх класифікація.
Опишіть особливості і використання композитів.
Які практичні задачі може вирішити металокераміка?
Що таке кермети?