Определение свободной поверхностной энергии пирографита методом Обреимова » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Определение свободной поверхностной энергии пирографита методом Обреимова

24.06.2021

Пирографит вследствие специфической текстуры кристаллической решетки характеризуется резко выраженной анизотропией механических свойств и способностью расщепляться по плоскостям, перпендикулярным оси с. Это обстоятельство позволило применить метод Обреимова для определения его поверхностной энергии.

Согласно данным М.А. Большаниной, поверхностную энергию можно рассчитать по уравнению

Если предположить, что от.г — величина постоянная, не изменяющаяся от образца к образцу и не зависящая от толщины отщепляемой пластинки,

Опыты по определению свободной поверхностной энергии пирографита проводили на образцах пирографита размерами 5x5x40 мм. Боковые стороны образцов тщательно шлифовали для более точного определения длины трещины, При помощи стального клина, поверхность которого для предотвращения царапин была тщательно отшлифована, от образцов отщепляли пластины толщиной до 0,8 мм. Толщину пластины и расстояние от введенного клина до вершины трещины х измеряли с помощью измерительного микроскопа с точностью до 5 мкм. Эксперименты проводили при определенной ординате у, т. е. с помощью клина строго заданной толщины.

Для проведения экспериментов по определению от.г пирографита в вакууме была создана установка, схема которой представлена на рис. 7.16. Движение клина осуществляли с помощью железного бруска, помещенного внутри вакуумной системы, и магнита, находящегося снаружи. Замеры геометрических параметров трещины проводили с помощью измерительного микроскопа, причем для учета влияния стекла вводили поправочный коэффициент, который определяли экспериментально. Вакуум во всех случаях составлял 0,067 Па.

Объектом исследования в опытах как на воздухе, так и в вакууме являлся пирографит, осажденный в различных условиях: П1800 при 1800 °С; П2100А при 2100 °С и малой скорости осаждения, П2100В при 2100 °С и значительной скорости осаждения.

В литературе не обсуждался вопрос о влиянии толщины клина на значения свободной поверхностной энергии твердых тел, получаемые методом Обреимова. Между тем расчет от.г по уравнению (7.8), по-видимому, справедлив не для всех условий, а возможен, только когда х и h связаны соотношением

Поэтому предварительно на пирографите П2100А были проведены эксперименты по определению от.г с применением клиньев различной толщины для того, чтобы установить, в каком диапазоне толщин для пирографита выполняется уравнение (7.9).

Исследования проводили с клиньями толщиной у1 = 0,1 мм; у2 = 0,15 мм; у3 = 0,35 мм; у4 = 0,45 мм. Экспериментальные результаты проверки выполнимости уравнения (7.9) приведены на рис. 7.17 и ниже (во всех расчетах значение модуля упругости пирографита E принято равным 8 ГПа):

Как и следовало ожидать, оказалось, что существует верхний предел толщины клина, при которой выполняется соотношение (7.9).

При y1 = 0,1 мм и у2 = 0,15 мм значения от.г одинаковы и равны 350 мДж/м2; в этих случаях n = 0,75. При больших толщинах клина наблюдается отклонение показателя п от значения 0,75 в большую сторону. Так, при у3 = 0,35 мм величина n = 0,8, а при = 0,45 мм n = 0,85. Значения от.г, рассчитанные по уравнению (7.9), составляют соответственно 800 и 1000 мДж/м2.
Определение свободной поверхностной энергии пирографита методом Обреимова

Столь высокое значение свободной поверхностной энергии пирографита, получаемое при использовании клиньев толщиной более 0,15 мм, можно, по-видимому, объяснить следующим. Во-первых, при выводе уравнения (7.8) сделано предположение о том, что изгиб невелик, так как только в этом случае выполняются исходные условия. Во-вторых, в отличие от слюды пирографит характеризуется более высоким модулем упругости, и отщепляемую пластину нельзя изогнуть по радиусу, сколь угодно большому. При достижении определенной величины изгибающего момента, т. е. при соответствующей толщине клина у, отдельные слои пирографита не только изгибаются, но и ломаются. Очевидно, в этом случае общая затрачиваемая работа идет на упругий изгиб отщепляемой пластины и создание двух новых поверхностей, а также на разрыв отдельных слоев пирографита. Поэтому основные эксперименты по определению свободной поверхностной энергии пирографита проводили при толщине клина у = 0,1 мм.

Результаты экспериментов по определению свободной поверхностной энергии пирографита марок П1800, П2100 и П2100А на воздухе приведены на рис. 7.18, а. В результате обсчета экспериментальных данных для пирографита марок П1800, П2100В и П2100А значения от.г соответственно равны 4000, 1500 и 350 мДж/м2.

Видно, что свободная поверхностная энергия пирографита в сильной степени зависит от условий получения пирографита, т. е. от степени совершенства его структуры.

Специально проведенные эксперименты показали, что свободная поверхностная энергия базисной плоскости практически не зависит от межплоскостного расстояния в решетке пирографита, а определяется текстурой отложения. Чем сильнее текстурирован пирографит, тем ниже измеряемое значение от.г. Поэтому можно отметить, что измеренные значения от.г представляют лишь некоторые эффективные значения свободной поверхностной энергии базисной плоскости графита, тем более близкие к истинному значению от.г, чем совершеннее структура.

Этот вывод подтверждают опыты по изучению влияния высокотемпературного отжига на значения от.г, результаты которых приведены на рис. 7.18, б. Отжиг проводили в вакуумной печи ТВВ-4 при 2300 °С в течение 3 ч. После отжига значения от.г для пирографита марок П1800, П2100В и П2100А были равны 1600, 1100 и 350 мДж/м2 соответственно.

Снижение после отжига поверхностной энергии пирографита марок П1800 и П2100В свидетельствует, по-видимому, о том, что в результате отжига повышается степень графитации образцов, снижаются искажения решетки, повышается степень совершенства структуры. Показательно, что для пирографита марки П2100А, структура которого наиболее совершенна, отжиг не привел к сколько-нибудь заметному изменению от.г.

На установке, схема которой приведена на рис. 7.19, были определены от.г пирографита П2100А. Показано, что на воздухе и в вакууме от.г = 350 мДж/м2. Полученные данные можно объяснить следующим образом. Мы склонны считать, что различие в величинах от.г слюды, полученных на воздухе и в вакууме, обусловлено адсорбцией не компонентов воздуха, а паров воды, которые всегда присутствуют в воздухе. Как будет показано далее, вода не влияет на от.г пирографита, что хорошо подтверждает общеизвестный факт о несмачивании поверхности углерода водой.

В литературе отсутствуют работы, посвященные экспериментальному изучению влияния температуры на свободную поверхностную энергию твердых тел. Известны лишь данные о температурном коэффициенте для жидкостей, который составляет -0,1 мДж/(м2*К). Известны теоретические работы С.Н. Задумкина, посвященные расчетам до/дТ для жидкостей. Была предпринята попытка экспериментально оценить температурную зависимость поверхностной энергии пирографита. Сущность предлагаемого метода заключается в следующем. В предварительно образованную трещину вводят клин и измеряют геометрические параметры трещины. Если в результате отжига этой системы при том же напряженном состоянии длина трещины увеличивается, то это изменение длины Ах можно связать с понижением свободной поверхностной энергии в процессе нагрева. Уравнение (7.7) можно переписать в виде

Если предположить, что А не зависит от температуры (а это действительно так, потому что у и h не зависят от температуры при соответствующем подборе материала клина, а модуль упругости пирографита, по литературным данным, с температурой меняется незначительно), то

Если, наконец, принять, что зависимость поверхностной энергии от температуры линейна, и считать, что самопроизвольное развитие трещины при нагреве Дх связано с изменением поверхностной энергии при изменении температуры на AТ, то температурный коэффициент k = Aо/AТ можно определить по уравнению:

Знак минус в этом уравнении показывает, что поверхностная энергия с повышением температуры уменьшается.

Эксперименты проводили в определенной последовательности. В предварительно отщепленную пластину пирографита вводили клин. После этого замеряли геометрические размеры трещины x, у и толщину отщепляемой пластины h. Затем образец с введенным клином осторожно помещали и вакуумную печь ТВВ-4 и выдерживали при 2300 °C в течение 3 ч. После охлаждения измеряли величину Aх и по уравнению (7.12) рассчитывали температурный коэффициент k. Некоторые наиболее характерные экспериментальные данные приведены ниже:

Значение температурного коэффициента оказалось близким к 0,05 мДж/(м2*К), что представляется вполне разумным.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: