ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Твердое тело состоит из частиц (атомов, ионов, молекул), которые связаны между собой силами взаимодействия различного происхождения. Под действием этих сил частицы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. В этой решетке каждая частица занимает положение, при котором равнодействующая всех сил притяжения и отталкивания между взаимодействующими частицами равна нулю. Прочности же твердых тел определяются силами сцепления между этими частицами. Следовательно, силы взаимодействия между частицами твердого тела (рис. 1) полностью уравновешивают друг друга. В таком случае говорят о насыщенности связей между частицами, их полной скомпенсированности.
Рис. 1. Силы, действующие на частицы: 1 — расположенные внутри кристалла; 2 — расположенные в поверхностном слое кристалла.
Силы, связывающие частицы твердого тела, имеют различное происхождение. Так, атомы углерода связываются в макромолекулу — алмаз — ковалентными силами; разновидности сил Ван-дер-Ваальса (дисперсионные, конформационные, индукционные) обеспечивают сцепление полимолекулярных соединений (полиэтилен, каучук и др.); атомы металлов с общественными электронами, находящимися на внешней оболочке, в кристаллической решетке связываются металлическими связями. Для сравнения, энергия ковалентных связей составляет 418-682 кДж/моль, ионных и металлических — 209-418, Ван-дер-Ваальсовых — менее 8,5 кДж/моль. Все эти силы, связывающие атомы (молекулы, ионы) и обеспечивающие образование единого тела, называются когезионными, а само взаимодействие частиц тела, обеспечивающее его целостность, называется когезией. Когезионные силы являются причиной внутреннего трения, т.е. осуществляют сопротивление перемещению частиц одного и того же тела.
Любое твердое тело конечно, и частицы, расположенные на границе его раздела со средой, находятся в положении, отличном от положения частиц, находящихся в объеме твердого тела. С точки зрения физики твердого тела поверхность кристаллических тел (тел, имеющих кристаллическую структуру, поскольку они составляют подавляющее большинстве современных триботехнических материалов) рассматривается как нарушение периодичности кристаллической решетки, а частицы твердого тела, образующие эту поверхность, связаны только с частицами, находящимися внутри этого тела, и с соседними по поверхностному слою. Остальные связи этих частиц остаются ненасыщенными (см. рис. 1). Возникшая за счет этого некомпенсированная энергия обусловливает появление силового поля поверхности твердого тела. Это поле неоднородно, и даже для идеального монокристалла металла имеют место его дискретность и периодичность, определяемые атомным (электронно-ионным) строением поверхности металла.
Кроме того, выход на поверхность ребер и углов кристаллитов, а также различных дефектов строения (вакансий, дислокаций, атомов внедрения и замещения и т.д.) обеспечивает создание активных центров, играющих большую роль в межфазных взаимодействиях. Когда поверхности твердых тел приведены в контакт, между ними под влиянием взаимодействия их силовых полей возникают силы притяжения. Это явление называют прилипанием (адгезией), а силы притяжения между твердыми телами называют адгезионными. Природа этих сил такая же, как и природа когезионных сил (хотя они иначе локализованы), т.е. они могут быть следствием металлических, ковалентных, ионных взаимодействий (короткодействующие силы), а также могут иметь место более дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса. Но и последние действуют на расстояниях, не превышающих 1-2 нм. Согласно уравнениям, предложенным независимо друг от друга Казимиром и Лифшицем, силы адгезии двух плоских металлических пластин обратно пропорциональны четвертой степени расстояния между этими пластинами. Б.В. Дерягин для шероховатых поверхностей с неровностями в виде полусфер установил несколько меньшее влияние зазора на силу адгезии твердых тел.
Адгезия как явление термодинамически обоснована наличием избыточной энергии поверхностей контактирующих тел и стремлением их к самопроизвольному сокращению. Частицы, находящиеся на поверхности твердого тела, обладают большей потенциальной энергией, чем частицы, расположенные в объеме твердого тела, для которых равнодействующая всех сил, действующих со стороны окружающих частиц, равна нулю. В поверхностный слой частицы могут попасть лишь в том случае, если разорваны их связи с внешней стороны твердого тела и остались только связи с нижележащими частицами и «соседями» по поверхностному слою. Следовательно, увеличение поверхности сопровождается затратой работы на разрыв связей между частицами, а значит увеличением избыточной поверхностной энергии. Поэтому обратный процесс должен проходить самопроизвольно, поскольку он будет сопровождаться уменьшением энергии Гиббса поверхностного слоя. Уменьшение поверхностной энергии происходит за счет как сокращения поверхности, так и уменьшения поверхностного натяжения. Так, мелко размолотые твердые тела (порошки), обладающие большой площадью поверхности и, следовательно, большим избытком поверхностной энергии, стремятся уменьшить ее путем самопроизвольного агрегирования или слипания. Именно по этой причине происходит адгезия твердых тел. Другим путем насыщения ненасыщенных связей частиц, находящихся в поверхностном слое, является взаимодействие поверхностного слоя твердого тела с окружающей средой. Уже с момента своего изготовления рабочие поверхности трущихся деталей вступают в контакт с окружающей средой, газообразной или жидкой, в том числе со смазочным материалом.
Литература
- Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. - М.: Инфра-М, 2014.
- Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. - М.: Машиностроение, 1986.
- Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (поверхностные явления и дисперсные системы): Учебник. - М.: Химия, 1982.