Структурные характеристики и физические свойства материалов
Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его свойства, - это плотность и пористость. Поры - воздушные ячейки в самом веществе, из которого состоит материал; пустоты - воздушные полости между отдельными частицами материала. Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внешней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т. п.).
Средняя плотность pm материала (далее мы будем называть ее плотностью) - физическая величина, определяемая отношением массы m материала ко всему занимаемому им объему V, включая имеющиеся в них поры и пустоты: pm = m/V. Следовательно, плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы можно получать с заданной (требуемой) плотностью, изменяя их структуру.
Истинная плотность p материала характеризуется массой единицы объема материала, причем имеется в виду объем только твердого вещества, из которого состоит материал Vтв без учета объема пор и пустот: р = m/Vтв. Иными словами, истинная плотность - это плотность вещества, из которого состоит материал.
У непористых материалов (стекло, сталь, битум) средняя плотность равна истинной.
Истинная плотность каждого вещества - постоянная характеристика (физическая константа), которая не может быть изменена, как средняя плотность материала, без изменения его химического состава или молекулярной структуры. Значения истинной плотности вещества зависят в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом они различаются незначительно.
Пористость - степень заполнения объема материала порами: П = [(V - Vтв)/V] 100 %. Обычно пористость рассчитывают, исходя из средней и истинной плотности:
П={p-pm) ·100%= (1 -pm/р) · 100%.
Пористость материала характеризуется не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером до сотых и тысячных долей миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2 ... 5 мм). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, материал с замкнутыми порами практически не поглощает воду, с открытыми (большинство пор представляет собой сообщающиеся капилляры) - активно поглощает воду.
Пористость — основная структурная характеристика, определяющая такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность.
Водопоглощение — способность материалов впитывать и удерживать в своих порах влагу — характеризуется максимальным количеством воды, которое может поглотить абсолютно сухой материал. Водопоглощение определяют по отношению к массе сухого материала (водопоглощение по массе Bm) или по отношению к естественному объему материала (объемное водопоглощение Bv): Bm = [(m2 – m1)/m2] · 100 %; Bv = [(m2 – m1)/Vест] · 100 %, где m1 - масса материала в сухом состоянии, г; m2 — масса насыщенного водой материала, г. Из приведенных формул очевидно, что Bv/Вm = m1 / V = рm т. е. Вv = Bm·pm.
Влажность - величина, показывающая, сколько воды в данный момент находится в материале по отношению к его сухой массе (реже по отношению к объему материала). Влажность материала выражается в процентах и может изменяться от 0 % (абсолютно сухой материал) до значения полного водопоглощения. Влажность материала зависит как от свойства самого материала (пористости, гигроскопичности), так и от окружающей его среды (влажность воздуха, наличие контакта с водой).
Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. Морозостойкость характеризуется числом циклов замораживания (при температуре не выше —17 ºС) и оттаивания (в воде), которое материал выдерживает без потери более 5 % своей массы или 15 % первоначальной прочности. Морозостойкость зависит от пористости и водопоглощения материала.
Теплопроводность — способность материала передавать теплоту сквозь свою толщину от одной своей поверхности к другой в случае, если температура у этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К в течение 1 с. Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения.
Теплоемкость — способность материала поглощать теплоту при нагревании. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К.
Термостойкость - способность материала выдерживать без разрушения одно- или многократные резкие перепады температур. Мерой термостойкости стекла является температурный перепад, который оно выдерживает без разрушения. Для листового стекла и стеклотары он составляет около 80°С.
Термическая стойкость огнеупорных изделий определяется числом теплосмен, т. е. числом попеременных нагреваний до 1300°С и охлаждений в проточной воде температурой 5 ... 25°С, которые выдерживает материал до потери им 20 % своей первоначальной массы. Например, термостойкость высокоогнеупорных хромомагнезитовых изделий составляет не менее двух, а магнезитохромитовых - пяти теплосмен.
Тепловое расширение - свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении - характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) показывает, на какую долю первоначальной длины увеличивается размер материала при повышении температуры на 1 К. Между коэффициентами линейного α и объемного β расширения существует зависимость β≈3α.
Вязкость - свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Различают динамическую вязкость η и кинематическую ν(ν=ηр, где р - плотность жидкости или газа). Единица динамической вязкости Па·с, кинематической - м2/с.