А.И.БОЛУТЕНКО
E-mail: bolutenko@mail.ru Физика
стекла Главная
АННОТАЦИЯ
С позиций представления о поверхностном
слое стеклянных волокон, имеющем пониженную поверхностную энергию, объяснены
зависимость прочности тонких волокон от химического состава, влияние различных
видов предварительной обработки волокон и зависимость прочности при испытании
волокон в различных средах.
В работе [1] предложена теория прочности
тонких стеклянных волокон, по которой их высокая прочность связана с пониженной
энергией поверхностного слоя. Удельная прочность волокон на разрыв σ описывается уравнением:
σ = σ2 – n2/(n + 1)2*(σ2 – σ1), (1)
где σ1 и σ2 –
допустимые разрывные напряжения внутренней части и поверхностного слоя, n –
отношение радиуса внутренней части к толщине поверхностного слоя волокна.
Рассмотрим возможности такого подхода для интерпретации экспериментальных
данных по прочности волокон в зависимости от диаметра, химического состава,
состояния поверхности и окружающей среды.
Экспериментальные данные по зависимости
удельной прочности от диаметра волокна весьма противоречивы. Ещё Гриффитс установил, что прочность стеклянных нитей обратно
пропорциональна их диаметру [2]. В работе [3] указывается, что на прочность
стеклянных волокон в основном влияет не изменение поперечного сечения
стеклянного волокна, а некий другой физический фактор. Авторы работы [4] при
исследовании натриевоборосиликатных стёкол
установили, что в пределах от 10 до 40 мкм прочность волокон не зависит от
диаметра. В работе [5] указывается, что прочность бездефектного волокна слабо
зависит от диаметра, однако, эта зависимость волокна чётко обнаруживается.
Прочность кадмиевых и свинцовых волокон мало зависит от диаметра [6]. В этой же
работе указывается, что ещё меньшую зависимость прочности от диаметра имеют
стеклянные волокна с высоким содержанием борного ангидрида. Более ярко
выраженной зависимостью прочности от диаметра обладают волокна из натриевокальциевосиликатного и бесщелочного
алюмоборосиликатного стёкол.
Противоречивые результаты зависимости
прочности стеклянного волокна от диаметра требовали прямого ответа: зависит ли
прочность волокна от диаметра? Работы по определению прочности ставились на
волокнах различного диаметра и разного химического состава стёкол. Для стёкол
различного состава результат и должен быть таким. Это связано
с тем, что определённый набор атомов в структуре стекла своими силовыми полями
во время перехода из жидкого состояния в твёрдое создаёт на поверхности волокна
слой, присущий именно этому стеклу. Поверхностный слой волокна
отличается по структуре и поверхностной энергии от внутреннего объёма. Из
формулы (1) следует, что удельная прочность волокна данного химического состава
определяется, прежде всего, различием допустимых разрывных напряжений
поверхностного слоя и внутреннего объёма
σ2 – σ1 – чем
прочнее поверхностный слой, тем выше прочность волокна. Вторым действенным
фактором в прочности волокна является n – количество толщин поверхностного слоя в радиусе
волокна. Чем большая площадь поверхностного слоя при данном диаметре волокна,
тем сильнее выражена зависимость прочности от диаметра. Таким образом,
величина σ2 – σ1 и n при некотором диаметре волокна являются
характеристиками, зависящими от химического состава стекла. При больших
значениях n, что равнозначно большим диаметрам волокон, удельная прочность
волокна не зависит от диаметра. Исходя из вышесказанного, все экспериментальные
данные, якобы противоречащие между собой, корректны, если анализировать их с
позиций уравнения (1).
Стеклянные волокна по прочности
значительно превосходят массивные стёкла. Но были найдены условия, при которых
стало возможным получение ещё более прочных – высокопрочных бездефектных
волокон. Получение стеклянных волокон без дефектов описано в работе [7].
Чувствительность прочности тончайших стекловолокон к контактным механическим
повреждениям при простом прикасании к ним отмечалась ещё в работе [8]. Такие
волокна, поверхность которых не вступает в контакт с какими-либо телами,
обладают наибольшей прочностью [9]. Максимальные значения «нетронутых»
кварцевых волокон, испытанных в жидком азоте, приближаются к расчётной
теоретической прочности плавленого кварцевого стекла [10].
После прикосновения к поверхности
«нетронутых» волокон прочность их снижается. Исходя из уравнения (1), прочность
тонких волокон определяется допустимыми разрывными напряжениями поверхностного
слоя σ2 .
Поверхностный слой при формировании волокна из расплава создаётся по принципу
взаимного уравновешивания векторов сил атомов при взаимодействии с атомами
внутреннего объёма волокна. Поверхностный слой конденсированных тел по [11]
имеет повышенную прочность за счёт низкой поверхностной энергии. Прикосновение
к стеклянному волокну или контакт с ним через какое-либо тело оставляет на
волокне слой вещества, что в месте контакта повышает энергию поверхностного
слоя и создаёт локальное понижение прочности. Такое локальное понижение
прочности поверхностного слоя приводит к его разрушению при низких значениях
напряжения.
На поверхности волокон сосредоточены
наиболее опасные дефекты, поэтому травление их поверхности в плавиковой кислоте
повышает их прочность [3, 12]. При этом установлено, что изменение поперечного
сечения при травлении не влияет на прочность волокна. Значения прочности в
дальнейшем сохраняются при любой толщине стравленного слоя. Травление волокна в
плавиковой кислоте в данном случае повышает его прочность в связи с удалением
дефектов поверхностного слоя. Но одновременно удаляется и поверхностный слой,
сформированный при формовании волокна. Вновь возникший поверхностный слой уже
имеет структуру внутреннего объёма волокна. Поэтому он лишён главного параметра
поверхностного слоя вещества – пониженной энергии, что равнозначно повышенной
прочности. Поэтому травление волокон до любых толщин не изменяет их удельных
разрывных напряжений.
Однако, совершенно иной эффект получен при
травлении бездефектных волокон: удаление очень тонкого слоя снижает прочность
бездефектных волокон [4, 6]. В работе [6] установлено, что прочность внутренних
частей волокна является стабильной. Применяя метод травления к бездефектным
волокнам, обнаружено необычное для стеклянного волокна свойство: травление
снижало прочность стеклянного волокна. Был обнаружен поверхностный слой,
отличный по свойствам от внутренней части стеклянного волокна.
Эффект снижения прочности при травлении
бездефектных стеклянных волокон снова становится понятным из уравнения (1). В
данном случае уничтожался поверхностный слой волокна, сформированный при
вытягивании и обладающий повышенной прочностью. Травление стекла изменяет
состояние поверхности и приводит к повышению поверхностной энергии, то есть
снижает прочность поверхностного слоя. Поэтому прочность бездефектных волокон
после травления уменьшается. Факт независимости удельной прочности волокон от
размера стравленного слоя, то есть независимость прочности волокна от его
диаметра, указывает, что прочность таких волокон близка к когезионной
прочности стекла.
Снижение прочности стеклянных волокон при
термообработке в результате кристаллизации [2, 5, 10, 12] также объясняется
нарушением силового поля поверхностного слоя. Локальные ослабления
поверхностного слоя волокна являются причиной снижения его прочности после
термообработки. Любые воздействия на стекловолокно разрушают его поверхностный
слой.
В связи с тем, что предполагалось влияние
влаги воздуха на прочность волокон, были поставлены работы по определению
прочности волокна в вакууме. По данным работы [13], испытания в вакууме
приводят к удвоению прочности стеклянных волокон. Исследование прочности
алюмоборосиликатных волокон в вакууме показало, что прочность их повышается
с 225кг/мм2 до 325
кг/мм2 [14]. Влияние вакуума
на повышение прочности волокон объясняется исключением влияния атмосферной
влаги [5].
Несомненно, влага воздуха снижает прочность
стеклянных волокон. Однако, влиянию влаги не всегда следует приписывать
разрушение поверхностного слоя в результате химического взаимодействия. Как
влага воздуха, так и газы воздуха, соприкасаясь с поверхностью волокна,
увеличивают величину поверхностной энергии. Это приводит к снижению σ2 в уравнении
(1), что понижает механическую прочность. В случае испытаний волокна в вакууме
поверхностная энергия стекла на границе раздела фаз, когда плотность одной из
них равна нулю, снижается. Это как раз и приводит к повышению прочности
стеклянных волокон в вакууме.
Стеклянные волокна любого химического
состава при воздействии влажного воздуха, воды и поверхностно-активных веществ
снижают свою прочность [3]. Снижение прочности в поверхностно-активных средах
объясняется снижением прочности поверхностных дефектов, которые оказывают
решающее значение на прочность волокна. В работе [5] влияние
поверхностно-активной среды на прочность объясняется её взаимодействием с
атомами твёрдого тела, которое облегчает разрыв межатомных связей в вершинах
микротрещин. При этом указывается, что механизм влияния влаги на прочность
стекла окончательно не выяснен и недостаточно понятен.
Предлагаемая интерпретация воздействия
воды и поверхностно-активных веществ на снижение прочности стеклянных волокон
аналогична действию вакуума. Однако, в вакууме
поверхностная энергия стеклянного волокна понижается. Действие воды и
поверхностно-активных веществ, наоборот, повышают поверхностную энергию стекла.
Это по (1) приводит к снижению прочности поверхностного слоя и волокна в целом.
Таким образом, в основу объяснения
экспериментальных результатов по зависимости прочности стеклянного волокна от
диаметра, чувствительности к контактным воздействиям и прикосновению, травления
в химических реагентах обычных и бездефектных волокон, термообработки, условий
испытания: в вакууме, воздухе, поверхностно-активных средах положена модель
повышенной прочности поверхностного слоя стеклянных (и других) тонких волокон
[11]. Приведенные объяснения экспериментальных фактов на основе пониженной
энергии поверхностного слоя конденсированных тел по сравнению с внутренним
объёмом не противоречат всем иным объяснениям, а углубляют их и показывают
физическую сущность явлений.
Теория поверхностного слоя в
конденсированных телах [11] и теория прочности тонких волокон [1] легко, просто
и логично объясняют экспериментальные результаты испытания на прочность
стеклянных волокон различного химического состава, с разными видами
предварительной обработки волокон и испытании их в различных средах.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.И.Болутенко.
Научные гипотезы. Физика стекла, гип. 4, 1978.
2. A.A.Griffith. Phil. Trans. Roy. Soc., 163. ser. A,
vol. 221, № 587, 1920.
3. Г.М.Бартенев. В сб.:
Стеклообразное состояние, 380. Изд. АН СССР, М.-Л., 1960.
4. Имасака
Минору, Хасэгава Хироси, Хамагути Ясуо, Куротаки Юко. J. Ceram. Soc. Jap., 164, 79, № 909, 1971.
5. Г.М.Бартенев. Сверхпрочные
и высокопрочные неорганические стёкла, 240. Стройиздат,
М., 1974.
6. М.С.Асланова, С.З.Вольская. В сб.: Стеклообразное состояние, 428. Наука,
М., 1965
7. Г.М.Бартенев,
Л.К.Измайлова. В сб.: Стеклообразное состояние, 426. Наука, М.-Л., 1965.
8. А.П.Александров,
С.Н.Журков. Явление хрупкого разрыва, 52. ГТТИ. М.-Л., 1933.
9. М.С.Асланова. Стекло и
керамика, 1, № 4, 1967.
10. М.С.Асланова, В.И.Шелюбский, В.Е.Хазанов, Л.Г.Герасимова. В сб.:
Механические и тепловые свойства и строение неорганических стёкол, 31. ВНИИЭСМ,
М., 1972.
11. А.И.Болутенко.
Научные гипотезы. Физика стекла, гип. 3, 1978.
12. М.С.Асланова. В сб.:
Стеклообразное состояние, 391. Изд. АН СССР, М.-Л., 1960.
13. Ф.Ф.Витман,
Г.С.Пугачёв, В.П.Пух. Стекло и керамика, 9, № 9, 1965.
14. Г.М.Бартенев,
А.В.Захаров, А.Б.Сидоров. ФХММ, 94, № 7, 1971.
25.12.1978
Публикация 4.01.2012