Введение к работе
Актуальность проблемы. Изменение механических свойств твердых тел в результате обратимою физико-химического взаимодействия с жидкой средой (эффект Ребиндера) - одна из главных проблем, изучаемых в современной физико-химической механике. Общее термодинамическое условие эффекта состоит в снижении межфазной энергии твердых тел на границе со средой. Однако молекулярные механизмы влияния среды на деформацию и разрушение весьма разнообразны и исследованы далеко не в одинаковой степени для разных классов твердых тел и материалов. Малая изученность в этом аспекте ионных кристаллов (по сравнению, например, с металлами и полимерами) находится в явном несоответствии с их распространенностью в природе и широтой применения в самых различных областях. Проблема, поставленная в данной работе, заключается в выявлении закономерностей и механизмов эффекта Ребиндера на щелочных галогенидах как гипичных представителях класса ионных кристаллов. Актуальность этой проблемы обусловлена несколькими причинами. Прежде всего, давно известное разнообразие изменений, происходящих с солями под действием среды (прочность и пластичность могут как понижаться, так и повышаться), до сих нор продолжает порождать принципиальные разногласия в интерпретации наблюдаемых явлений. Детальное выяснение соответствующих механизмов позволяет снять эти разногласия, что должно способствовать выявлению общих законов влияния жидких сред на прочность и деформируемость твердых тел. Выбор щелочных галогенидов продолжает традицию их использования как модельного твердого гела: выяснение параметров, характеризующих механизмы изучаемых в них процессов, позволяет описать те же процессы в других магериалах, на которых их непосредственное наблюдение затруднено. Наконец, особую актуальность поставленная проблема приобрела в последнее время в связи с использованием соляных пластов для хранения нефти и газоконденсата и с острыми дискуссиями о возможности захоронения в них высокотоксичньтх и радиоактивных отходов. Понимание механизмов действия жидких сред на деформацию и разрушение природных солей необходимо также для описания процессов соляной тектоники (образования естественных нефте- и газохранилищ - соляных куполов) и для оптимизации обработки и измельчения минерального сырья (калийных руд и Яр.).
|
«>С. НАЦИОНАЛЬНАЯ I
БИБЛИОТЕКА !
Цель в задачи исследования. Целью работы было выяснение механизмов деформации, разрушения и структурной эволюции тел с ионным типом связи в контакте с жидкими средами различной природы, а также поиск и разработка методов управления этими процессами. Основные задачи:
разработка оригинальных методов получения монолитных (беспористых) щелочногалоидных поликристаллов с зернами заданных размеров, обладающих воспроизводимыми механическими свойствами, а также получения гетерофазіплх материалов на основе щелочных галогенидов:
установление количественной связи между когезионной (или адгезионной) прочностью и термодинамическими характеристиками межфазных границ (как исходными, так и измененными под действием жидких сред);
сопоставление разупрочняющего действия водных растворов различного состава с кинетическими параметрами молекул воды в растворах;
выяснение механизма влияния адсорбционно-активных жидких сред на деформацию кристаллов щелочных галогенидов при различных условиях механических испытаний и разработка путей управления этим процессом.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые определены условия проявления различных форм эффекта Ребиндера на щелочногалоидных кристаллах. Найдена количественная связь между понижением прочности кристаллов в результате действия активных сред и уменьшением их поверхностной энергии. Экспериментально доказано, что разупрочняющее действие жидкой среды зависит от подвижности ее молекул; установлена количественная связь между понижением прочности твердого тела и диффузионной подвижностью молекул воды в растворах. Впервые получены прямые экспериментальные доказательства преимущественного смачивания высокоэнергетических границ зерен в поликристаллах щелочных галогенидов. Обнаружено увеличение числа проницаемых межзеренных границ щелочных галогенидов под действием напряжений. Установлены условия смены механизмов пластического течения смоченных солей - переход от движения дислокаций к массопереносу через жидкие межзеренные прослойки; показано, что в последнем случае скорость деформации контролируется скоростью диффузионного переноса вещества через жидкую фазу. Обнаружено и систематически изучено изменение скорости деформации кристаллов под действием добавок, вводимых в раствор, и проанализирован механизм их влияния. Установлено, что введение добавок, адсорбирующихся на поверхности
* - ь -* *
твердой фазы, переводит процесс из диффузионного в кинетический режим, контролируемый скоростью растворения.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований механических свойств природных и синтетических образцов хлорида натрия в контакте с водными растворами могут быть использованы. 1) для долговременного прогнозирования устойчивости и изоляционных свойств подземных резервуаров, создаваемых в пластах каменной соли для хранения природного газа, токсических и радиоактивных отходов, а также для разработки способов управления этими свойствами; 2) для интенсификации процессов дробления калийной руды (сильвинита) на калийную соль и пустую породу в процессе предварительной обработки до флотации; 3) для уточнения условий образования солянокупольных структур, необходимого для прогнозирования их газонефтеносности. Основные защищаемые положения.
-
Физико-химические параметры, определяющие условия проявления различных форм эффекта Ребиндера (понижения прочности, облегчения пластической деформации и межзеренного внедрения жидкостей) на кристаллах щелочных галогенидов и композиционных материалах на их основе.
-
Прогнозирование адгезионной прочности ионных соединений на основе информации о поверхностной и межфазной энергии соответствующих границ раздела.
-
Механизм влияния водных растворов электролитов на прочность гидрофильных материалов, связанный со степенью гидратации ионов в растворе.
-
Прямые экспериментальные доказательства преимущественного смачивания высокоэнергетических границ зерен в поликристаллах щелочных галогенидов.
-
Различные механизмы пластической деформации хлорида натрия в присутствии воды при различных условиях испытаний
-
Факторы, влияющие на скорость рекристаллизационной ползучести щелочных галогенидов: радиационное воздействие и введение добавок в водный раствор.
Апробация работы. Материалы диссертации бьши доложены на VTII Всесоюзной конференции по поверхностным явлениям в расплавах и твердых
фазах (Киржач, 1980): VII, X и XI конференциях по поверхностным силам (Москва 1980, 1992, 1997); Международной конференции «Коллоидная химия в решении проблем охраны окружающей среды» (Минск, 1994); конференции «Коллоидная химия в странах СНГ» (Москва, 1994); Ломоносовских чтениях (1995); Международной конференции Европейского союза наук о Земле (Страсбург, Франция, 1995); VI Научной школе по механической обработке дисперсных материалов и сред (Одесса, 1996); Международных конференциях по высокотемпературной капиллярности (Краков, Польша, 1997; Курашики, Япония, 2000: Сан-Ремо, Италия, 2004); Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 1998); Генеральных ассамблеях международного геофизического общества EGU (Гаага, Нидерланды, 1999; Ницца, Франция, 2001, 2003 и 2004; Вена, Австрия, 2005); Ребиндеровских чтениях (1999); П Международной конференции «Коллоид-2003» (Минск, 2003); XI Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2004); на научных семинарах кафедры коллоидной химии химического факультета МГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка цитированной литературы, включающего 319 работ, из которых 160 на иностранных языках. Работа иллюстрирована 86 рисунками и 16 таблицами.
