Материаловедение в промышленном дизайне краткий курс художественног
..pdfМикроструктура 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
поднятия жидкости в |
капиллярных порах определяется |
по формуле: |
h = 2а cos 0 / г р g, где а - поверхностное натяжение; cos 0 |
- косинус крае |
|
вого угла смачивания 0 |
; г - радиус капилляра (поры); р - |
плотность жид |
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-
:тя>емаv (объемная теплоемкость cv). |
|
|
н°с |
Для нагревания материала с массой т (кг) до температуры г2 |
от тем- |
3 тспературы /] необходимо затратить количество теплоты Q (Дж), |
пропор- |
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