В монографии даётся систематическое изложение основ теоретического и экспериментального исследования важнейших физических характеристик пористых структур. Описано нестандартное поведение отдельных физических параметров, к которым относится, например, поле электрического пробоя пористого вещества и тангенс диэлектрических потерь. Подробно изложен метод вычисления коэффициента теплопроводности пористых диэлектриков при помощи принципа неравновесности. Предлагаемый подход может быть применён к исследованию свойств таких казалось бы «безнадёжных» веществ, к каковым относятся, в частности, целлюлоза, композиты и композиционные материалы.

Для физиков, физико-химиков, научных сотрудников, аспирантов и студентов.

В классической монографии Гесса [Гесс К. Химия целлюлозы и её спутников. Л., 1934, 620 с.] подробно рассмотрена химическая природа одного из важнейших в практическом отношении пористых веществ — целлюлозы. Там же даны основные микроскопические размеры атомных связей, комплексов и описано молекулярное строение. Анализ фотографий, полученных с помощью электронной микроскопии, позволяет также выяснить внутреннюю макроскопическую структуру таких диэлектриков и определить полное количество волокон в образце, их среднюю длину, а также внутренний и внешний диаметры. Более мощное увеличение позволяет оценить и размеры фибрилл.

Опираясь на эти и некоторые другие экспериментально измеренные параметры, мы сможем провести численные оценки эффектов с целью выяснения качественного поведения важнейших параметров таких неупорядоченных структур. Кроме того, точное знание микроскопических расстояний между гидроксильными группами и «длина» межмолекулярных связей дают возможность после соответствующих теоретических расчётов сделать необходимые оценки и провести сравнение с экспериментами (хотя и не очень многочисленными в этой области), посвящёнными, скажем, измерению «тангенса дельта» или измерению величины поля электрического пробоя и его функциональных зависимостей.

Как увидим далее, согласие с экспериментами имеется вполне удовлетворительное, не дающее, на наш взгляд, повода для пессимизма. Некоторое идеализированное представление о пористой структуре вещества, как о вполне упорядоченной (в среднем) субстанции, оказывается весьма полезным в чисто теоретическом плане.

Первые исследования свойств пористых сред можно отнести, по-видимому, только к началу нашего столетия, когда впервые начали появляться разнообразные электромеханические устройства (скажем, трансформаторы) и важнейшими их составными частями были разного рода изоляционные прокладки. Экспериментальные наблюдения, проводимые примерно в двадцатые-тридцатые годы и направленные главным образом на изучение чисто технических характеристик, например, конденсаторной бумаги, дали мощный импульс к разработке этого нового тогда ещё класса неупорядоченных структур. При этом для осуществления разного рода экспериментов проводилась пропитка бумажных листов различными маслами и жидкостями, повышающими электрическую прочность изделий. Подобные эксперименты, которые могут быть отнесены уже примерно к пятидесятым — шестидесятым годам, проводились на органических материалах типа стекла и керамики. Наиболее важной характеристикой таких структур является пористость. Оказывается, что при изучении однородных по составу веществ (мы не имеем сейчас в виду таких эффектов, как фазовые переходы первого и второго рода, эффект Кондо и подобных, которые не связаны с пористостью структуры) никаких аномальных явлений не наблюдается. Стоит только добавить в основную матрицу свободные объёмы (современная технология позволяет делать это), как отдельные физические показатели качественно довольно сильно меняются. При этом энтропия такого неоднородного по составу вещества становится меньше, чем у однородного. Действительно, если мысленно вырезать из структуры один свободный объём, то количество атомов, составляющих его основу, уменьшится, а в силу этого будет уменьшаться и энтропия (как известно, энтропия напрямую — но не пропорционально! — связана с количеством элементарных единиц структуры). Несмотря, однако, на то, что система в целом снизила свою энтропию и проиграла в энергии (внутренняя энергия стала больше!), тем не менее появилась другая возможность компенсировать это благодаря приобретению ряда не свойственных однородному веществу аномальных свойств. Такая компенсация весьма похожа на принцип Ле-Шателье.

Сам по себе объект исследования представляется довольно сложным именно из-за хаотического расположения пустот по объёму. Ясно, что вычисление физических параметров такой неупорядоченной структуры в теоретическом плане весьма затруднено, и поэтому первая глава монографии посвящена описанию некоторой гипотетической модели. Тот подход, который принимается за основу, может быть оправдан лишь в том случае, если предсказываемые теоретические результаты не пойдут вразрез с известными из эксперимента эмпирическими и численными оценками. Далее мы убедимся, что фибриллярная модель, которая является как бы «началом отсчёта», вполне корректно укладывается в рамки получаемых экспериментальным путём результатов и, на наш взгляд, является убедительным доказательством возможности её применения к объяснению отдельных экспериментальных данных. Что касается приложения настоящей модели к более сложным веществам, то путём введения соответствующих поправочных коэффициентов, учитывающих неидеальность структуры, можно добиться вполне удовлетворительного согласия.

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Физика композитов: термодинамические и диссипативные свойства, Гладков С. О., 1999
2. Теория просачивания для математиков, Кестен X., 1986
3. Электронные процессы в некристаллических веществах, Мотт Н., Дэвис Э., 1974
4. Электроны в неупорядоченных структурах, Мотт Н., 1969
5. Электронная теория неупорядоченных полупроводников, Бонч-Бруевич В. Л., Звягин И. П., Кайпер Р., Миронов А. Г., Эндерлайн Р., Эссер Б., 1981
6. Теория и свойства неупорядоченных материалов, 1977
7. Полимерные нанокомпозиты: многообразие структурных форм и приложений, Микитаев А. К., Козлов Г. В., Заиков Г. Е., 2009
8. Композитные оболочки при силовых и тепловых воздействиях, Белозеров Л. Г., Киреев В. А., 2003
9. Модифицирование полупроводников пучками протонов, Козловский В. В., 2003
10. Диэлектрики и радиация: Кн. 3: Механическая и электрическая прочность и изменение структуры при облучении, Костюков Н. С., Астапова Е. С., Пивченко Е. Б., Ванина Е. А., Балабеков А. И., Муминов М. И., 2003
11. Диэлектрики и радиация: Кн. 8: Взаимодействие электромагнитного излучения с диэлектриками, Костюков Н. С., Еремин И. Е., Еремина В. В., Соколова С. М., 2011
12. Диэлектрики и радиация: Кн. 1: Радиационная электропроводность, Костюков Н. С., Муминов М. И., Атраш С. М., Мухамеджанов М. А., Васильев Н. В., 2001
13. Диэлектрики и радиация: Кн. 2: ε и tgδ при облучении, Костюков Н. С., Лукичев А. А., Муминов М. И., Атраш С. М., Скрипников Ю. С., 2002
14. Структурно-кинетические особенности получения и термодеструкции нитратов целлюлозы, Коваленко В. И., Сопин В. Ф., Храпковский Г. М., 2005
15. Томография нефтенасыщенных пористых сред, Хавкин А. Я., Чернышев Г. И., 2005
16. Молекулярная теория адсорбции в пористых телах, Товбин Ю. К., 2013