Реология. 1. 1 Твердые тела. Кристаллические и аморфные твердые тела. Полимеры
 Скачать 364.5 Kb.
|
|
I. Основы реологии твердых тел. Реология- это раздел физики, изучающий течение и деформацию жидкостей, газов и твердых тел. 1.1 Твердые тела. Кристаллические и аморфные твердые тела. Полимеры. Твердые тела - это тела, сохраняющие форму и объем за счет значительных молекулярных сил отталкивания и притяжения. Большая часть твердых тел имеет кристаллическое строение. Оно характеризуется упорядоченным, геометрически правильным расположением частиц (атомов, молекул, ионов) по всему объему тела. В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и кристаллические. У ионных кристаллов в узлах решеток располагаются правильно чередующиеся положительные и отрицательные ионы, связанные силами электростатического притяжения. Кристаллы с ионным строением (напр. NaCl) тверды, хрупки, хорошо растворяются в воде. В узлах атомных кристаллических решеток находятся электрически нейтральные атомы, между которыми осуществляются ковалентные связи. Такие решетки имеют разновидности углерода - алмаз и графит, полупроводники (например, германий- Ge, теллур- Te), многие органические твердые тела. Кристаллы с атомной решеткой отличаются твердостью, прочностью, малой растворимостью. Молекулярные кристаллы - это кристаллы брома, йода, кристаллы льда, многие твердые органические соединения. В узлах кристаллических решеток таких кристаллов находятся определенно ориентированные молекулы, связь между которыми образуется ван-дер-ваальсовыми силами. Такие кристаллы характеризуются мягкостью, хорошей растворимостью. У металлических кристаллов в узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металлов. Внешние (валентные) электроны представляют совокупность свободных электронов («электронный газ»). За счет теплового движения свободных электронов и взаимного притяжения между ними и положительными ионами осуществляется связь их в единое твердое тело. Наличием «электронного» газа объясняется хорошая электропроводность и теплопроводность металлов. Наиболее характерным свойством кристаллических тел является анизотропия – различие физических свойств тела (механических, тепловых, электрических, оптических) в различных направлениях. Однако, свойство анизотропии проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов, вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, анизотропия тела в целом не проявляется. Некоторые твердые тела (стекло, смолы, пластмассы и др.) имеют не кристаллическое, а аморфное строение и называются аморфными твердыми телами. Аморфное строение характеризуется отсутствием строгой повторяемости в расположении атомов или молекул во всех направлениях. Для аморфных тел, подобно жидкостям, сохраняется только ближний порядок расположения частиц. Физические свойства аморфных тел одинаковы по всем направлениям. Это явление называется изотропией. Полимеры – это органические высокомолекулярные соединения, отличающиеся цепочечным строением молекул, длина которых достигает несколько микрометров. Молекулы полимеров состоят из большого числа (до десятка тысяч) одинаковых звеньев (мономеров). Каждый мономер состоит из небольшого числа атомов. По происхождению полимеры делят на природные (например, клетчатка, крахмал, белки, нуклеиновые кислоты) и на синтетические биополимеры (например, полиэтилен, полистирол, получаемые методами полимеризации и поликонденсации). Полимеры бывают жидкие (раствор поливинил-пирролидина) и твердые (плексиглас). Среди твердых полимеров различают кристаллические и аморфные. Кристаллические полимеры образуют анизотропные волокна и пленки; а аморфные находятся в высокоэластичном состоянии, причем, такие полимеры могут сильно деформироваться (до 1000%), и его деформация обратима. 1.2 Деформации. Виды деформации. Закон Гука. Все тела под действием внешних сил подвержены в той или иной степени деформации. Деформация – это изменение формы или объема тела под действием внешних сил, обусловленное смещением частиц тела относительно друг друга. Деформация, исчезающая после прекращения действия сил, называется упругой. В этом случае тело полностью восстанавливает свою форму и объем. Деформация, остающаяся в теле после устранения внешних сил, называется пластической, при этом тело не восстанавливает начальную форму, объем. Возможно также неполное исчезновение деформации; в этом случае деформацию называют упруго-пластической. При действии на тело внешней деформирующей силы, расстояние между взаимодействующими частицами (атомами, ионами) изменяется. Это приводит к возникновению внутренних сил упругости, стремящихся вернуть эти частицы в первоначальное положение и уравновешивающих внешние силы. Мерой этих сил является механическое напряжение (или просто напряжение ):  (1.1)где Fупр – сила упругости, S – поперечное сечение образца. Единицей измерения напряжения является [H/м2 ]. Другой характеристикой деформации является относительная деформация (или относительное удлинение):  , (1.2)где x – первоначальное значение длины образца, ∆x – изменение длины образца при деформации. Относительная деформация - величина безразмерная. Для малых упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому, напряжение прямо пропорционально относительной деформации . ∙ , (1.3) где E – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом упругости (или модуль Юнга). Модуль Юнга Е измеряется в [H/м2 ]. Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества и зависит от его природы. Физический смысл модуля Юнга заключается в том, что модуль Юнга E есть величина, численно равная напряжению , возникающему при относительной деформации , равной единице. Все упругие деформации подчиняются закону Гука, но для каждого вида деформации, он имеет свою форму. Различают пять основных видов деформации: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение. Р  астяжение возникает под действием внешних сил, направленных по оси тела в противоположные стороны наружу ( рис. 1.1). С  жатие образца происходит под действием внешних сил, направленных по оси тела внутрь образца (рис. 1.2). 3  . Сдвиг возникает под действием сил, действующих по касательной к поверхности тела. Сдвиг можно рассматривать как сжатие по диагонали BD и растяжение по диагонали AC (рис.1.3). В результате деформации сдвига происходит смещение элементарных слоев тела относительно друг друга. Сдвиг характеризуется касательным напряжением =  , где S – величина верхней или нижней поверхности, и углом сдвига . При малых деформациях сдвига касательное напряжение прямо пропорционально углу сдвига.4. Изгиб возникает под действием нескольких внешних параллельных, противоположных сил. Эти силы действуют перпендикулярно оси тела. Верхние слои тела при изгибе сжимаются, средний слой остается без изменения, а нижние – растягиваются (рис.1.4).   Рис. 1.5 Кручение возникает под действием двух равных противоположных пар сил, приложенных относительно продольной оси тела (рис.1.5). 0 Рис. 1.6 З  ависимость между напряжением и относительной деформацией можно представить графически. Для деформации растяжения график зависимости =f() называется кривой растяжения. Экспериментальная кривая растяжения имеет вид (рис.1.6). Участок ОА соответствует упругой деформации, точка В соответствует пределу упругой деформации. Максимальное напряжение, при котором деформация еще имеет упругий характер, называется предел упругости упр (на графике это соответствует точке В). Участок ВЕ соответствует пластической деформации, при этом участок СД называется областью текучести образца, которая характеризуется увеличением деформации при const; при этом тек – предел текучести – напряжение, при котором образец испытывает текучесть. Напряжение, при котором образец начинает разрушаться называется пределом прочности проч. Тела с большим пределом упругости называются упругими (например, металлы). Тела с малой пластической деформацией называются хрупкими (например, чугун, стекло). Тела с большой пластической деформацией называются пластическими (например, воск). Тела с малым модулем упругости и способные к значительным упругим деформациям называются эластичными (например, полимеры). Механические свойства тела в значительной степени зависят от его температуры. Повышение температуры способствует пластичности, понижение температуры – хрупкости. Например, хрупкое при обычной температуре стекло делается пластичным при нагревании или эластичный при обычной температуре каучук, становится хрупким при низких температурах и т.д. 1.3 Особенности механических свойств полимеров. В связи с особым химическим строением полимеры имеют благоприятные механические свойства, сочетающие большую прочность с высокой эластичностью и значительной вязкостью. Под вязкостью понимается способность тела сопротивляться деформации в процессе ее установления. Вязкость проявляется при динамическом приложении нагрузки и обуславливает постепенность нарастания деформации. Между упругими свойствами кристаллических тел и полимерных материалов существует огромная и принципиальная разница; так сталь разрывается при растяжении ее на 0.3%, а мягкие резины можно растягивать до 300%. Это объясняется различным механизмом упругости кристаллов и полимеров. При деформации кристаллических тел силы упругости определяются изменением межатомных расстояний, т.е. упругость твердых тел, с точки зрения термодинамики, связана с изменением внутренней энергии кристалла. В отличие от кристаллов, структура полимеров нерегулярна. Длинные молекулярные цепи полимеров гибкие, по-разному изогнуты, тесно переплетены между собой. Некоторые из них находятся в тепловом хаотическом движении, так что их форма и длина все время изменяются. При приложении нагрузки к полимерному образцу, его молекулярные цепи раскручиваются и распрямляются в соответствующем направлении, и длина образца увеличивается. После снятия нагрузки, вследствие хаотического теплового движения, длина каждой молекулы восстанавливается и образец укорачивается. Упругость, свойственную полимерам, называют высокой эластичностью (или высокоэластичностью). Сочетание вязкого течения и высокой эластичности позволяют называть деформацию, характерную для полимеров, вязко-упругой; а полимеры – вязко-упругими веществами. Механические свойства полимеров позволяют применять некоторые из них в медицине. Тефлон, капрон, лавсан, милар, силастиковый полимер обладают высокой химической стойкостью, вследствие чего их используют при изготовлении протезов внутренних частей организма (кровеносных сосудов, клапанов сердца, сухожилий, вживляемых глазных линз и т.д.). Из полимеров типа полиэтилена, поливинилхлорида и др., легко обрабатываемых давлением, изготавливают различные медицинские инструменты и приспособления. Жидкий полимер, раствор поливинил-пирролидина, используется в качестве заменителя плазмы крови. |