МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЧЕРНІГІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
Розрахунково-графічна робота
з дисципліни «Інженерія поверхні»
Виконав: студент гр. ЗВ-201
Фетісов В.С.
Викладач:
Болотов М.Г.
НУЧП 2022
Адгезійні явища
Адгезія
Адгезія- зчеплення (прилипання, злипання) приведених в контакт різнорідних твердих або рідких фаз; комплекс явищ, які здатні утворити зв'язки між матеріалами, що склеюються. Адгезія знаходить практичне застосування при паянні, зварюванні, склеюванні, вирощуванні монокристалів.
Адгезією, або прилипанням, називають явище, що виникає при контакті двох різнорідних конденсованих тіл. Цей контакт відбувається на границі роздягнула фаз. Адгезія характеризує зв'язок між двома тілами, для порушення цього зв'язку необхідно зовнішнє зусилля. Адгезія виникає при контакті твердих тіл з рідинами, а також при контакті рідин із твердими тілами. Коли одним з контактуючих тіл є тверда поверхня, у якості іншого можуть бути рідина, тверді плівки або частки. У зв'язку із цим розрізняють адгезію рідини, плівок і часток. Крім того, адгезія є важливим фактором в біологічних системах, таких як клітини організмів, де вона впливає на клітинну міграцію та формування тканин. Адгезія також відіграє важливу роль в процесах взаємодії між різними матеріалами в електроніці та мікросистемах, де необхідно забезпечити стійке зчеплення між різними елементами.
Одна з найважливіших характеристик адгезії — адгезійна міцність, яка характеризує питоме зусилля по руйнуванню адгезійного контакту та використовуване в техніці для оцінки властивостей склеюючих та зв'язуючих речовин. Адгезійна міцність залежить від енергії зв'язку, що забезпечує адгезію, повноти контакту, що визначається рельєфом поверхні, міжфазної поверхневої енергії, змочування та інш. поверхневих явищ, а також від умов формування контакту (тиску, температури, тривалості контакту тощо). На значення адгезійної міцності впливають умови її вимірювання, розміри зразків, концентрація в них механічних напружень. Руйнування адгезійного контакту може супроводжуватися руйнуванням дотичних тіл. Адгезія рідини до твердого тіла визначається в основному значеннями поверхневої енергії рідини, твердого тіла і міжфазною поверхневою енергією.
Незважаючи на різні варіанти адгезії часток (окремих часток, моношару й полішаруючи), характерні риси цього виду адгезії полягають у взаємодії часток з поверхнею й в обмеженій площі контакту окремих часток.
Адгезії плівок і рідини властива значна площа контакту. Ці два види взаємодії розрізняються природою контактуючих тел. В одному випадку, при адгезії рідини, мова йде про контакт рідини із твердою поверхнею, а в іншому, при адгезії плівок, контактують між собою дві тверді поверхні.
Адгезію часток і плівок ріднить однотипність дотичних конденсованих тіл - це тверді тіла. Відмінність полягає у формі прилиплих тіл і в розмірі площі контакту. При адгезії плівок площа контакту значна, а при адгезії часток - вона обмежена.
Наслідки адгезії різні. У випадку адгезії рідини на поверхні можуть формуватися тонкі шару або краплі, що прилипли плівки екранують поверхня субстрату, а в результаті адгезії закріплюються переважно дрібні частки.
Адгезія рідини проявляється тільки стосовно тонких шарів або крапель. Утримання всієї рідини на поверхні не визначається однією лише адгезією до цієї поверхні, а залежить від сил взаємодії молекул рідини, які не настільки значні. Не дивно, що рідина порівняно легко віддаляється з поверхні й навіть при значній адгезії залишається лише тонкий шар.
На відміну від рідин тверді тіла маю міцність, тому адгезія визначає втримання на поверхнях не тільки тонкого шару, але всього прилиплого тіла.
Процес утворення адгезійного зв'язку звичайно ділять на дві стадії. На першій, так званої транспортної стадії, відбувається переміщення молекул адгезива (клеючеї речовини, зв'язуючого) до поверхні субстрат (тіло, на яке наноситься адгезив) і їх певне орієнтування в міжфазному шарі, внаслідок чого забезпечується тісний контакт між молекулами і функціональними групами молекул адгезива і субстрат. Протіканню першої стадії процесу адгезії сприяють підвищення температури і тиску, а також переклад однієї з фаз (звичайне адгезива) в рідкий стан розчиненням або плавленням. Більш тісний контакт між адгезивом і субстрат досягається після очищення взаємодіючих поверхонь.
Друга стадія адгезії складається в безпосередній взаємодії адгезива і субстрат, яке може бути зумовлене різними силами - від ван-дер-вальсових до хімічних. Сили ковалентних зв'язків починають діяти на відстанях між атомами і молекулами, не перевищуючих 0,5 нм. Дія іонних і ван-дер-вальсових сил виявляється на більш дальніх відстанях-приблизно від 1до 100 нм. Звідси чітко видно необхідність першої стадії процесу адгезії. Міжмолекулярною взаємодією контактуючих фаз завершуєте» процес адгезії, що відповідає мінімально") міжфазної (поверхневої) енергії. При склеюванні твердих тіл на цій стадії відбувається затвердження адгезива. Затвердження найбільш важко піддається кількісному опису.
Постадійний розгляд процесу адгезії дозволяє зробити висновок, що між двома рідинами або рідиною і твердим тілом може бути досягнута максимальна адгезія, оскільки між такими фазами забезпечується повний контакт. Максимальна адгезія твердих тіл практично недосяжна через нерівність їх поверхонь, зіткнення яких відбувається тільки в окремих точках.
Розрізнюють декілька механізмів (і відповідно теорій адгезії) в залежності від природи взаємодіючих тіл і умов, при яких відбувається адгезія. Механічна адгезія здійснюється шляхом затікання в пори і тріщини поверхні твердого тіла рідкого адгезива, який потім затвердіває, забезпечуючи механічне зачеплення з твердим тілом. Згідно з молекулярним (адсорбціоному) механізмом адгезія виникає під дією міжмолекулярних ван-дер-вальсових сил і водневих зв'язків. Для такої адгезії приложимо відоме правило схожості речовин по полярності: чим ближче по полярності адгезив і субстрат, тим більш міцний контакт між ним. Електрична теорія зв'язує адгезію з виникненням двійчастого електричного шару на межі розділу між адгезивом і субстратом. Відшарування, як і розсування обкладання конденсатора, спричиняє збільшення різниці електричних потенціалів, яке зумовлює міцність адгезійного контакту. Дифузійний механізм передбачає взаємне проникнення молекул і атомів в поверхневі шари взаємодіючих фаз.
Адгезійні явища
Адгезійні явища відносяться до важливих питань, які вивчаються в науці про поверхні та колоїдні системи. Адгезія є здатністю поверхонь різних матеріалів прилягати одна до одної. Вона відіграє важливу роль у різних процесах, таких як зварювання, покриття, лакування, друкування та інших.
Основні фактори, які впливають на адгезію, - це хімічний склад поверхонь матеріалів, міжмолекулярні взаємодії та стан поверхні. До міжмолекулярних взаємодій, які впливають на адгезію, належать ван-дер-вальсівські сили, іонні взаємодії, а також ковалентні зв'язки. Стан поверхні матеріалів також може впливати на адгезію, оскільки за умови наявності забруднень або окислювальної плівки може зменшитися контактна площа поверхонь та зростати кут змочування.
Для підвищення адгезії матеріалів можна використовувати різні методи, наприклад, використання адгезивів, підвищення енергії поверхонь, механічне оброблення поверхонь та інші. Вибір методу залежить від властивостей матеріалів та потрібного рівня адгезії.
Узагальнюючи, адгезійні явища мають важливе значення в багатьох галузях науки та техніки, і вивчення цих явищ є важливим для розвитку нових матеріалів та технологій. У деяких випадках адгезія може стати проблемою, особливо в тих випадках, коли необхідно забезпечити від'ємне зчеплення поверхонь, наприклад, в процесах формування плівок або обробки поверхонь. Для цього можуть використовуватися спеціальні засоби зниження адгезії, наприклад, розчинники, антиадгезійні покриття та інші.
У сучасному світі адгезійні явища використовуються в багатьох галузях науки та техніки, включаючи механічну обробку матеріалів, виробництво покриттів та лаків, медицину та біотехнології, електроніку та мікросистеми, транспортні технології та інші. Наукові дослідження в галузі адгезійних явищ продовжуються, і вони стають все більш важливими для розвитку нових матеріалів та технологій в різних галузях промисловості та науки.
Одним із напрямів розвитку в галузі адгезійних технологій є створення нових матеріалів, які б мали покращену адгезію до різних поверхонь. Наприклад, в наступному поколінні автомобілів можуть бути використані нові матеріали з покращеною адгезією, що знизить шум та вібрації при русі автомобіля, знизить витрати палива та підвищить ефективність. Крім того, в галузі медицини та біотехнологій адгезійні явища використовуються для розробки нових матеріалів для імплантації та протезування. Наприклад, нові матеріали з покращеною адгезією можуть допомогти збільшити термін експлуатації імплантів та протезів та зменшити імовірність їх відшарування.
Загалом, адгезійні явища мають важливе значення в багатьох галузях науки та техніки, і їх вивчення є важливим напрямком наукових досліджень. Використання новітніх технологій та матеріалів з покращеною адгезією може сприяти розвитку нових технологій та досягненню більш високих рівнів ефективності в різних галузях науки та техніки.
Типи адгезійних явищ
Існує кілька типів адгезійних явищ, які розрізняються за механізмом взаємодії між поверхнями.
Основні типи адгезійних явищ включають:
Механічну адгезію. Цей тип адгезії виникає в результаті механічного зчеплення між поверхнями. Він може бути спричинений наявністю макро- та мікронерівностей на поверхнях матеріалів, які зчеплюються, а також за рахунок тиску та деформації матеріалів.
Адгезія на основі зв'язків водню. Водень має здатність утворювати слабкі хімічні зв'язки з електронними пари атомів інших елементів. Такі зв'язки можуть виникати між молекулами води та поверхнями матеріалів, що дозволяє їм адгезувати.
Ван-дер-Вальсова адгезія. Цей тип адгезії виникає за рахунок взаємодії слабких ван-дер-Вальсових сил між атомами та молекулами на поверхнях матеріалів.
Хімічна адгезія. Цей тип адгезії виникає в результаті утворення сильних хімічних зв'язків між атомами на поверхнях матеріалів. Цей тип адгезії зазвичай є найсильнішим, але вимагає відповідного взаємодії реакційних груп на поверхнях матеріалів.
Кожен з цих типів адгезійних явищ має важливе значення в різних галузях науки та техніки. Наприклад, механічна адгезія може бути використана для розробки нових методів склеювання матеріалів, тоді як хімічна адгезія є важливою у багатьох хімічних та біологічних процесах, таких як реакції фотосинтезу, зв'язування молекул на поверхні клітин, каталіз хімічних реакцій та інше.
Крім того, розуміння типів адгезійних явищ є важливим при проектуванні матеріалів та виробів з метою покращення їх якості та тривалості експлуатації. Наприклад, для досягнення кращої адгезії між шаром фарби та поверхнею можуть використовуватися спеціальні проміжні шари, що забезпечують кращу взаємодію між матеріалами.
Висновок
У загальному, адгезійні явища є важливими для різних галузей науки та техніки, і їх розуміння дозволяє зрозуміти та контролювати взаємодію між матеріалами в різних середовищах та умовах.
Важливими факторами, що впливають на процес адгезії, є фізико-хімічні властивості матеріалів, тиск, температура, вологість, а також наявність інтерфейсних шарів. Розуміння типів адгезійних явищ (фізична, хімічна та фізико-хімічна адгезія) дозволяє краще контролювати процес взаємодії між матеріалами та досягати бажаних результатів.
Усі ці знання є важливими для розробки нових матеріалів та виробів з метою покращення їх якості, тривалості та властивостей. Адгезійні явища є ключовими у різних галузях, таких як медицина, електроніка, транспорт та будівництво, і їхнє вивчення та розуміння дозволяє досягнути нових успіхів у цих галузях.