Файл: Физические основы надежности.doc

3.6. Адсорбционное понижение прочности под действием поверхностно-активных веществ

Процессы разрушения, протекающие в твердом теле, существенно зависят от его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Установлено, что долговечность, например, меди и алюминия в вакууме до 10^5 мм рт. ст. увеличивается соответственно в 20 и 10 раз по сравнению с долговечностью в обычной атмосфере. Воздействие почти всех активных сред начинается с адсорбции элементов среды (молекул или ионов) на поверхности твердого тела. Таким образом, адсорбционный механизм влияния среды является первичным (предшествующим всем другим видам влияния внешней среды на свойства материалов) и наиболее универсальным.

Адсорбционное влияние окружающей среды обусловлено, главным образом, двумя факторами:

а) влиянием физико-механического состояния поверхности твердых тел (металлов и неметаллов) на их механические свойства. Характеристики пластической деформации, сопротивление ползучести, усталостная прочность и внутреннее трение значительно изменяются в зависимости от состояния поверхности. Прочность твердых тел пропорциональна их поверхностной энергии, следовательно, факторы, вызывающие уменьшение свободной поверхностной энергии, т. е. уменьшение работы образования новых поверхностей, вызывают тем самым более или менее значительное снижение прочности;

б) действием так называемых поверхностно-активных (адсорбционно-активных) веществ (ПАВ), снижающих поверхностную энергию твердого тела. Понижение свободной поверхностной энергии, связанное с адсорбцией, лежит в основе изменений механических свойств (прочности и пластичности) твердых тел под влиянием поверхностно-активных веществ (эффект Ребиндера). Поскольку разрушение можно рассматривать как процесс образования новых по-

22

верхностей (поверхностей трещин и разломов), то, следовательно, адсорбция

поверхностно-активных веществ, уменьшая работу, необходимую для образования новых поверхностей, снижает сопротивление разрушению.

Различают внешний и внутренний адсорбционные эффекты. Внешний вызывается адсорбцией поверхностно-активных веществ на внешней поверхности твердого тела, что приводит к снижению предела текучести и коэффициента упрочнения. Внутренний адсорбционный эффект возникает в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности дефектов внутри твердого тела, следствием чего является снижение прочности и хрупкость.

Принято различать проявление адсорбционного понижения прочности под влиянием органических поверхностно-активных веществ, жидких металлов и электролитов.

Органические ПАВ  спирты, высшие жирные кислоты, канифоли, мыла и т. д.  имеют значительную по величине дифильную молекулу (состоящую из какой-либо полярной группы  СООН, ОН, NH₂, SH, CN, NO₂, CHO и т. п., обладающей большим дипольным моментом, и неполярного углеводородного радикала), которая не может диффундировать в решетку металла. Действие органических ПАВ чисто поверхностное, причем эти вещества незначительно снижают уровень поверхностной энергии металла (не более 10  15 % от исходного); их называют слабыми поверхностно-активными веществами. Расплавленные легкоплавкие металлы, атомы которых по величине соизмеримы с константой решетки твердого металла, могут диффундировать в него и способны значительно снизить уровень поверхностной энергии твердого металла; эти поверхностно-активные вещества носят название сильных.

Ионы электролитов, склонные к специфической адсорбции на поверхности твердого металла, заряжают эту поверхность, но из-за значительного размера обычно не могут внедриться в решетку, причем ионы галогенов сильно снижают уровень поверхностной энергии металла, тогда как другие ионы, например, сульфатные, слабо влияют на уровень поверхностной энергии (аналогично слабым ПАВ).

Разупрочняющее действие ПАВ связано с наличием микротрещин на поверхности, возникающих в процессе деформации или имевшихся еще до приложения нагрузки. ПАВ физически адсорбируются на поверхности тела, внедряясь во все дефекты, мигрируя к основанию трещины. В результате создается большое давление, величина которого определяется уравнением, выведенным для давления, развивающегося в капиллярах:

23

, (16)

где   давление поперек мениска;

r  радиус поры;

  угол контакта, характеризующий степень смачивания;

  свободная поверхностная энергия.

Когда материал смачивается полностью (cos = 1), . При малом значенииr давление может быть очень большим.

3.7. Процессы теплового разрушения твердых тел

Тепловая устойчивость твердых тел, так же как теоретическая механическая прочность, определяется энергией межмолекулярной, межатомной связи (энергией кристаллической решетки). Большая величина энергии связи характеризует способность к образованию решеток с высокой нагревостойкостью, механической и электрической прочностью. В зависимости от скорости нагревания тепловое разрушение представляет собой плавление или испарение (сублимацию) твердого тела. Медленное нагревание кристаллического твердого тела сопровождается его плавлением и испарением расплава; быстрое нагревание вызывает испарение твердого тела.

Процесс плавления твердого тела характеризуется температурой и теплотой плавления (количеством энергии, необходимым для плавления одного моля вещества при постоянной температуре), значения которых возрастают с увеличением энергии связи. Наблюдаемая корреляция между плавлением и механическим разрушением соответствует связи между пластической деформацией и разрушением: элементарные акты при плавлении и пластической деформации полагаются одинаковыми (при пластической деформации наступает локальное плавление вследствие повышения температуры в узкой зоне вдоль плоскости скольжения за счет энергии внешнего источника).

Во всяком случае, имеющиеся данные свидетельствуют о близкой природе физических процессов механического и теплового разрушения материала. На взаимную связь этих процессов указывает, в частности, то, что одновременное действие механической нагрузки и нагревания оказывает одинаковое совокупное действие, ускоряющее разрушение металла.

Процессы сублимации (испарения, выгонки) твердых тел, происходящие

24

при любой температуре, имеют большое практическое значение при некоторых условиях эксплуатации. Так, в космических условиях (в глубоком вакууме) сублимация материалов оказывает непосредственное влияние на работоспособность устройств.

Испарение твердого тела происходит в результате увеличения значения энергии теплового движения до величины, необходимой для преодоления сил связи между частицами твердого тела и для отрыва частиц с поверхности кристалла (теплота сублимации или теплота испарения). При испарении твердого тела кристаллическая решетка полностью разрушается; скорость теплового разрушения твердого тела зависит от подводимой энергии, давления, структуры тела и ее нарушений.

При термическом разрушении (испарении) в вакууме чистых металлов, сплавов, окислов металлов, диэлектриков, полупроводников, так же как и при их механическом разрушении, наблюдаются одинаковые закономерности; температурно-временная зависимость механической и тепловой прочности твердого тела выражается аналогичными экспоненциальными зависимостями; время испарения уменьшается экспоненциально с повышением температуры тела и уменьшением теплоты испарения.

4. Процессы электрического разрушения твердых диэлектриков и полупроводников

Процессы электрического разрушения диэлектрических материалов могут быть двух видов: пробой толщи диэлектрика и разряд по поверхности диэлектрика. Пробой диэлектрика происходит при наложении электрического поля, напряженность которого превышает определенное критическое значение  пробивную напряженность Е_пр, характеризующую электрическую прочность диэлектрика. Для твердых диэлектриков характерны две основные формы пробоя: пробой, вызванный электрическим разрядом (чисто электрический пробой), и тепловой пробой.

Некоторые особенности чисто электрического и теплового пробоя многих твердых диэлектриков показаны на графике зависимости пробивного напряжения при данной толщине диэлектрика (или пробивной напряженности) от температуры (рисунок). Существуют две температурные области, в которых диэлектрик ведет себя по-разному. В области I  более низких температур, соответствующей чисто электрическому пробою, пробивная напряженность не зависит от температуры (так же, как и от времени воздействия напряжения, если оно не мало). В области II, соответствующей тепловому пробою, пробивная напряженность зависит как от температуры, так и от длительности воздействия напряжения: чем меньше время воздействия, тем выше пробивная напряженность.

Пробивная напряженность при электрическом пробое различных твердых диэлектриков составляет 10⁶10⁷ В/см; тепловой пробой в обычных условиях происходит в большинстве случаев при напряженности поля 10⁴10⁵ В/см. Иногда выделяются как отдельные формы пробоя химический (электрохимический) пробой и пробой, вызываемый физическими дефектами диэлектрика. Под химической формой пробоя понимается пробой, связанный со снижением электрической прочности диэлектрика вследствие химических изменений, происходящих в диэлектрике при длительном воздействии высокого напряжения. При этом по существу происходят два последовательных процесса: процесс физико-химического изменения диэлектрика (старения), снижающий его электрическую прочность, и собственно пробой, который может быть тепловым (чаще всего) и чисто электрическим. Ухудшение свойств диэлектрика в процессе старения, особенно при повышенной температуре, может создать такие условия, когда последняя фаза длительного процесса примет форму пробоя (теплового или электрического), характерную для кратковременного воздействия напряжения.

Обычно разрушение изоляции при эксплуатации происходит в результате комбинированного воздействия ряда факторов: термического воздействия при повышенных температурах, воздействия электрического напряжения, механического воздействия, влияния влаги и загрязнений и др.

Полупроводники, так же как диэлектрики, обладают определенной электрической прочностью, характеризуемой критической напряженностью элек-

трического поля (пробивной напряженностью), при которой начинается резкий рост электропроводимости. Различия объясняются, главным образом, разной

26

шириной полосы запрещенных энергий между валентной зоной и зоной проводимости: в диэлектриках она больше 3 эВ, в полупроводниках  меньше 2 эВ. Потеря электрической прочности и пробой полупроводников под действием электрического поля в зависимости от ряда условий могут быть вызваны раз-

личными физическими процессами. В связи с этим различают, так же как для твердых диэлектриков, электрический, тепловой и комбинированный механизмы пробоя полупроводников.

Электрический пробой твердых диэлектриков представляет собой сложный комплекс разнообразных физических процессов и явлений: электрических, механических, тепловых. Характерной особенностью электрического пробоя, который возникает в чистом виде в достаточно однородном поле, в отсутствие краевых разрядов, при кратковременном приложении напряжения, является возрастание тока перед пробоем с увеличением напряжения приблизительно по экспоненциальному закону и почти скачкообразное увеличение тока при достижении определенной напряженности поля (при пробое); образующийся большой ток способен расплавить, обуглить или сжечь диэлектрик, при небольшом токе в месте пробоя остается след в виде прокола или прорыва.

Наиболее вероятным механизмом электрического пробоя твердых диэлектриков является ударная ионизация электротоками или ионами. При движении в решетке твердого тела электроны проводимости отдают энергию, полученную от электрического поля, атомам или ионам кристалла, вызывая ионизацию. Разрушение диэлектрика в стадии завершения разряда и послепробойной стадии значительно больше, чем в стадии формирования разряда. В стадии завершения разряда (стадии разрушения) выделяется энергия, по крайней мере на три порядка большая, чем в стадии формирования разряда.

Различают два основных вида электрического разряда по поверхности диэлектрика и соответствующего им электрического повреждения: