Определение свободной поверхностной энергии пирографита методом Гилмана
Для получения возможно более достоверных значений от.г пирографита было предпринято ее определение другим независимым методом — методом Гилмана.
Как и в опытах Гилмана, развитие трещины происходило мгновенно. Величину критической силы, при которой происходило раскалывание, определяли по градуировочной кривой, связывающей силу тока, пропускаемого через катушку электромагнита, с растягивающей силой. В ходе проведения экспериментов выяснилось, что метод Гилмана имеет ряд недостатков, которые могут привести к существенному искажению получаемых результатов.
В частности, необходимо строго выполнять требование, чтобы силы F1 и F2 (равные по величине, но противоположные по направлению) действовали по одной прямой (см. рис. 7.19). Малейший поперечный изгиб приводит к завышению получаемого значения поверхностной энергии. Кроме того, поскольку расчет проводится на полутолщину образца, необходимо наносить первоначальную трещину таким образом, чтобы она была точно посредине образца, что достаточно трудно выполнить экспериментально.
Поэтому целесообразно применять схему эксперимента, позволяющую до некоторой степени устранить указанные недостатки (см. рис. 7.19). По этой схеме образец с предварительно нанесенной трещиной крепят (с помощью клея БФ-2 или специального крепежного устройства) всей верхней поверхностью к мощному основанию, а к нижней части образца прилагается растягивающая сила F.
При данной схеме эксперимента не имеет значения соосность сил F1 и F2, нужно лишь правильно выбрать место приложения силы F1.
Так как при расчете поверхностной энергии, как это будет показано далее, учитывается только толщина откалываемой части образца (а не полутолщина образца, как у Гилмана), совсем не обязательно выполнение равенства A1 и A2 (где A1 и A2 — толщины откалываемой и приклеенной частей образца соответственно).
Ввиду того что при данной схеме эксперимента изгибаются не две, а одна часть образца, возникла необходимость пересмотра соотношений Гилмана (7.6).
Предположим, что общая работа dW затрачивается на упругую деформацию dU и собственно работу расщепления образца dS, тогда:
Из общих соображений следует, что потенциальная энергия изогнутой пластины dU составляет половину общей работы dW, т. е.
Работа расщепления dS при данной схеме эксперимента равна 2от.гbdL, так как при расщеплении образуются две новые поверхности. Подставляя уравнение (7.14) и выражение для dS в уравнение (7.13), можно получить
где h — толщина откалываемой части образца; остальные обозначения те же, что и в уравнении (7.6).
Для определения свободной поверхностной энергии пирографита методом Гилмана в вакууме была сконструирована установка, схема которой приведена на рис. 7.20.
Поскольку для определения поверхностной энергии по методу Гилмана необходимы достаточно толстые образцы, эксперименты проводили на пирографите марки П2100В, толщина образцов которого была максимальной. Наиболее характерные результаты экспериментов по определению свободной поверхностной энергии пирографита указанной марки методом Гилмана (от.г(cp) = 5000 мДж/м2; при расчетах принято E = 40 ГПа) приведены ниже:
Как видно из приведенных данных, полученное методом Гилмана среднее значение свободной поверхностной энергии гораздо выше, чем значения от.г тoгo же пирографита П2100В, определенные методом Обреимова (от.г = 1500 мДж/м2). Объяснение этих различий следует, по-видимому, искать в недостатках методики Гилмана, которые были описаны ранее.
Показательна в этом отношении серия экспериментов по предлагаемой нами уточненной методике Гилмана при от.г(ср) = 1800 мДж/м2, результаты которых представлены ниже:
Двумя различными методами получены значения свободной поверхностной энергии пирографита, которые достаточно хорошо согласуются между собой. Ниже представлены данные о свободной поверхностной энергии пирографита той же марки П2100В (от.г(ср) = 1900 мДж/м2), определенные по предлагаемой нами методике:
Как и при исследовании методом Обреимова, различий в значениях от.г пирографита в вакууме и на воздухе не обнаружено.