1403

Микроструктура твердых материалов может быть плотная или порис­ тая. Не зависимо от этого их структура может быть зернистая, рыхлозер­ нистая (порошкообразная), конгломератная, ячеистая, волокнистая, слои­

стая.

У некоторых кристаллических материалов (металлов и неметаллов) кристаллиты бывают достаточно крупных размеров, таких, что их можно увидеть и оценить визуально (в изломе материала, или, особенно, на его шлифованных, полированных и травленых поверхностях). Это свойство следует использовать для достижения эстетического эффекта.

Естественные и искусственные конгломераты - структура, характер­ ная для многих горных пород, бетонов, керамических и других материа­ лов.

Ячеистая структура отличается наличием макропор, свойственным газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам и др.

Волокнистая структура присуща некоторым горным породам (асбесту, палыгорскиту и т.д.), древесине, композитам (стеклопластику и т.д.), изде­ лиям из минеральной ваты. Ее особенностью является существенное раз­ личие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек их волокон.

Слоистая структура отчетливо выражена у сланцев, слюд, природного графита, листовых и плитных материалов (в частности, у пластмасс со слоисиым наполнителем - бумагопласта, текстолита и т.п.).

Некоторые материалы могут быть в виде насыпной массы, частицы которой «свободны», не связаны между собой каким-либо крепителем (связкой) и, таким образом, не представляют собой единого конгломерата. Частицы в них могут быть разного размера и имеют присущую им макро- и микроструктуру. Такие материалы следует характеризовать как зерни­ стые. Рыхлозернистые материалы - это щебень, песок, порошкообразные материалы природного и искусственного происхождения.

3.2. Плотность, пористость, поверхностное натяжение

Плотность р - свойство материала, количественно характеризующее отношение его массы т к объему V: р = т / V. Различают истинную плот­ ность (просто плотность) р, когда материал плотный, и кажущуюся плот­ ность у (удельная масса, удельный вес), когда рассматривается фактиче­ ское состояние (структуру) материала (у имеет ту же размерность, что и р). Всегда у < р. Для сравнения за единицу плотности примем показатель плотности дистиллированной (чистой) воды, равный 1 г/см3, для органиче­

0Д5104. Коэффициент р равен для лада (от - 20 до - 1 °С) 1,125-Ю4, для

этилового спирта (0-40 °С )- 11-104, для воска (10-26 °С) -7 104. Пористость П - свойство материала, характеризующее степень запол­

нения его объема порами. Пористость равна отношению объема пор в ма­ териале Утр ко всему объему материала VQ (в процентах или в долях от единицы):

П = / У 0 = ( т /у - т /р) / (m tty = 1 - у / р = 1 -</,

где т - масса, г . р и у - соответственно плотность и удельная масса мате­ риала, г/см3; d —относительная плотность материала.

За немногим исключением (стекло, мономинералы, металлы) мате­ риалы и изготовленные на них предметы пористы. Объем Уе пористого ма­ териала в естественном состоянии (т.е. вместе с заключенными в нем по­ рами) слагается из объема вещества (как правило, твердого) Va и объема

порК„:

У ^ У Я + У

Средняя (удельная) плотность у (г/см3, кг/м3) - отношение массы к объему в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами):

у = m/ Fe-

Ibioraocib пористых материалов всегда меньше их истинной плотно­ сти (например, плотность легкого бетона 500-1800 кг/м3, а его истинная плотность2600 кгйм3). Удельный вес материалов с учетом их пористости колеблется в очень широких пределах (например, 15 кг/м3 у пористых пластыасс и 3450 кг/м у базальта).

Значение шютаосш р щ , , ^ н м п ш материала в сухом и влажном со­

стояниях связаны соотношением = pt (1 + W), где рщ, и рс - плотности материалаво влажном и сухом состояниях соответственно, г/см3 или кг/м3; W - влажность материала, %.

Насыпная плотность р^ —отношение массы к объему рыхло насыпан­ ного зернистого или волокнистого материала (цемента, песка, щебня, ваты И Т.П.). Например, и с г и и и а к ПЛОТНОСТЬ и гн д к я — 2700 кг/м3, его удель-

ный вес (пористый материал)—2500 кг/м , а насыпная плотность известня­ кового шебня -1300 ш ж . По этим данным можно вычислить пористость, например, известняка и шусгопюсть известкового щебня, применив соот­ ветствующиеформулы.

Поры (греч. —лоров - выход, отверстие) - это промежутки, заполнен­ ные в материале газом (воздухом или жидкостью). Они возникают на раз­

личных стадиях образования природных или получения искусственных материалов (различают естественные или искусственные поры). Размеры,

Коэффициент плотности Кш - степень заполнения объема материала твердым веществом: А^пл = рт! Р- П + Кпл = 1 (или 100 %). Таким образом, высушенный материал состоит из твердого каркаса, обеспечивающего прочность материала, и газовых (воздушных) пор.

Открытая пористость По равна отношению суммарного объема пор, заполненных водой (или другой жидкостью; например, керосином, хорошо проникающим в поры), к объему материала V: По = [(m2 - m\)!V\ -1/ рН2 0, где т\ и т 2 - масса образца в сухом и насыщенном водой состоянии; рН20 - плотность воды.

Открытые поры сообщаются с окружающей средой и между собой, поэтому они заполняются водой при погружении образца материала в во­ ду. Закрытые поры при этом остаются незаполненными водой. Таким об­ разом, закрытая пористость определяется как П3 = П - ПоОткрытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала, ухудшают его морозостойкость.

Как правило, пористый материал содержит как открытые, так и за­ крытые поры. Соотношение этих пор может быть различным. Увеличение доли закрытых пор в суммарной пористости повышает прочностные и дру­ гие свойства материала. Однако в звукопоглощающих материалах и изде­ лиях умышленно стремятся увеличить открытую пористость, необходи­ мую для лучшего поглощения звуковой энергии.

Пористый материал с порами небольшой величины (или частью пор такой же величины) следует рассматривать как капиллярно-пористое тело. Попадание в открытые поры жидкости (например, влаги) будет зависеть, кроме того, от смачиваемости материала жидкостью, которая связана с по­ верхностным натяжением жидкости относительно материала и газовой среды. За счет поверхностного натяжения происходит капиллярное всасы­ вание жидкости (например, влаги). Капиллярное всасывание жидкости (влаги) характеризуется высотой ее поднятия в материале, количеством поглощенной жидкости (влаги), и интенсивностью всасывания (с учетом смачиваемости жидкостью материала и гравитационной силы). Высота h

кости; g - ускорение свободного падения.

Обычно поры в материале имеют неправильную форму и переменное сечение. Поэтому вышеприведенная формула годна лишь для качественно­ го рассмотрения явления, в котором принимают участие только открытые поры. Объем жидкости (влаги), поглощенный материалом путем капил­

углом или углом смачивания, образованный касательной у края капли и твердой поверхностью, является мерой смачиваемости: В = cos а = (стж т - - ав>т) / а вж , где а ж т, а в>т, a BJKнеизвестные поверхности натяжения на трех контактных поверхностях (или поверхностях раздела): жидкости ж, воздуха в, твердого тела т. Это уравнение, выражающее условие равнове­ сия трех сил, приводит к следующим выводам: 1 ) если стжт < а в.т, то cos а < 0 , то есть угол а - тупой; в этом случае жидкость не смачивает твердое тело (то есть твердое тело гидрофобно);

2)если а жт> а вт, то cos а > 0 , то есть угол а - острый; в этом случае жидкость смачивает твердое тело (то есть твердое тело гидрофильно);

3)если cos а = 1 , то угол а = 0 , и тогда жидкость неограниченно рас­ текается по поверхности твердого тела и распространяется на ней в виде пленки (то есть смачивает твердое тело абсолютно).

Физический смысл вышеприведенного уравнения, определяющего меру смачиваемости В, заключается в том, что жидкость смачивает по­ верхность твердого тела, когда преобладает сцепление «жидкость - твер­

дое тело» (ажт > <тв.т). Если же преобладает взаимное сцепление частиц (ионов, атомов, молекул) в жидкости, то стж т < а в т и жидкость не смачива­ ет поверхность твердого тела.

Смачиваемость или несмачиваемость проявляют себя, если жидкость находится в узком канале (капилляре) между стенками твердого тела. То­ гда жидкость образует мениск, который может быть выпуклым, если жид­ кость смачивает стенки капилляра, и вогнутым, если жидкость не смачива­ ет стенки капилляра. При движении жидкости в капилляре со несмачиваемыми стенками (когда мениск выпуклый с тупым углом а возникает как бы «накатывание» жидкости. Для того чтобы несмачивающая жидкость продвигалась в капилляре, ей необходимо преодолеть противодавление поверхностного натяжения на выпуклом мениске жидкости. Это противодавление Р (г/см ): Р = (2а cos а) / г, где г - радиус канала (капилляра), в котором движется жидкость.Если жидкость смачивает стенки капилляра, то образуется вогнутый мениск с острым углом а и поверхностное натя­ жение помогает движению жидкости в капилляре. Следовательно, жидко­ сти, которая движется в капилляре, сообщается дополнительный напор h, который можно определить по формуле Жюрена h = (2а cos а) / rpg, где р - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести.

За счет силы Р жидкость двигается в капилляре и, преодолевая грави­ тацию, может «всасываться» в пористый материал. Чем больше поверхно­ стное натяжение и больше, следовательно, угол а, чем меньше радиус ка­ пилляра, тем больше эта сила. Расчеты показывают, что влияние поверхно­ стного натяжения и смачивания на «всасывание» жидкости в капилляры

может идти интенсивно и на заметную высоту капилляров только п относительно небольших радиусах. В больших каналах влияние пове стного натяжения незначительно. Если имеется тело с открытой пор стью, то оно может «самостоятельно» пропитаться жидкостью, ко смачивает материал.

Если жидкость относится к несмачиваемой, то процесс ее KOHTJ капилляром или твердым телом сводится к «отталкиванию» телом ж сти (даже в случае наличия в теле открытой пористости).

При вертикальном опускании трубки с капилляром в жидкость ei вень в капилляре будет располагаться ниже уровня жидкости, если кость не смачивает стенки капилляра (сила поверхностного натяжеш дет опускать жидкость), и выше уровня жидкости, если жидкость сма ет стенки капилляра (сила поверхностного натяжения будет поди: жидкость).

3.3. Теплофизические свойства материалов

Теплопроводность - свойство материала проводить тепло (созх тепловой поток q от одной поверхности к другой, обусловленное нал! по толщине его слоя градиента температур. Количество теплоты Q, даваемое за единицу времени через единицу площади поверхности, порционально градиенту температур в данной точке (grad 7) и тепл водности X данного материала, Q = X grad Т.

Положим, что через плоскую стенку с параллельными поверхнс из однородного материала толщиной а (м), площадью s (м ) и при раз температур (t\ - 12) проходит постоянный тепловой поток. Количеств! лоты Q (Дж), проходящее через стенку за время т (ч), определяет формуле Q = X [ s ( t\ - f2) т ] / а, из которой определяется теплопр ность:

X = (Qn)/[J ( r 1 - r 2 )x].

Таким образом, коэффициент теплопроводности X (или просто т проводность) равен количеству теплоты (Дж), проходящей за 1 ч плоскопараллельную стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при град температур в 1 градус по толщине слоя материала (размер X Вт / м-град.). Величину, обратную теплопроводности, называют тер ским сопротивлением (R = 1 /Х).

Передача тепла только кондуктивной теплопроводностью харак для плотных материалов. Кроме того, тепло переносится конвекцией лучением. Теплопередача в пористых телах сложнее, чем в плотных поскольку в них при наличии открытых пор и градиента температу никают внутри тела конвекционные потоки, влияющие на перенос

рИ|Это влияние снижается при достаточном количестве закрытых пор. Это рхцсвязано с наличием в порах малотеплопроводного воздуха 1иа(Х = 0,023 Вт/м-град.). Теплопроводность у материалов с закрытой пористортостью ниже, чем у плотных. При высоких температурах внутри пор (как открытых, так и закрытых) тепло передается излучением, что также влияет истгна теплоперенос. Для упрощения расчетов все три вида переноса тепла идксводят к одному виду - к кондуктивной теплопроводности, которую назы­ вают эффективной теплопроводностью. Ее измеряют экспериментально на

»урнатурных образцах.

жи. Теплопроводность материалов зависит от их структуры. У материалов Wбс волокнистым и слоистым строением теплопроводность вдоль и поперек яибволокон разная. Например, у сухой древесины вдоль волокон термическое имасопротивление 1/А. примерно вдвое меньше, чем поперек волокон. При ув­ лажнении материалов их теплопроводность возрастает, так как теплопро­ водность Хв воды, равная 0,599 Вт/м-град, что примерно в 25 раз выше, чем

теплопроводность Х„озд воздуха.

[ава Теплоемкость - свойство материала при его нагревании поглощать гчитепло, определяемое отношением количества теплоты, усвояемой массой псрматериала т, при бесконечно малом изменении его температуры прДт = ( / 2 - 1\). Отношение теплоемкости к единице количества материала наопрзывают удельной теплоемкостью. Различают удельную теплоемкость, от­

несенную к единице массы т (массовая теплоемкость ст) и к единице объ-

ся циональное массе материала и повышению температуры на At градусов: OBOQ = Ст. т .д/ = cm-m-{t\ - /2). Из этой формулы следует, что

"т = Q/m-(t\- ?2), то есть удельная массовая теплоемкость численно равна количеству тепла, необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 гра-

еп.'цус.

чер Термостойкость - свойство материала сохранять свои основные хаиенрактеристики, не разрушаясь при воздействии на него периодически изменосняющейся температуры. Другими словами, это способность материала ми,,противостоять термическим напряжениям, возникающим в нем при много­ кратном «нагреве - резком охлаждении». Термостойкость определяется терЧислом теплосмен до разрушения образца при заданной наивысшей темпе- и ^ратуры испытаний. Чем однороднее материал и чем ниже коэффициент ^термического расширения, тем выше термостойкость. Высокой термо- р всстойкостью обладает, например, кварцевое стекло, у которого при темпегеп:РатУРе>равной 40 °С, а = (0,08-0,14) 1 0 - 4 Термостойкость полимерных