Исследование особенностей граничного трения ротационным вискозиметром (стр. 1 из 5)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. И.И.МЕЧНИКОВА
Кафедра физики твердого тела и твердотельной электроники
Исследование особенностей граничного трения ротационным вискозиметром | |
| Курсовая работа студента 4 курса физического факультета БУТЕНКО А.Ф.Научный руководитель, профессор. АЛТОИЗ Б.А | |
ОДЕССА 2004
СОДЕРЖАНИЕ.
Введение
1. Жидкокристаллические слои их особенности
1.1Исследования ЭЖК слоев
1.2 Капиллярный вискозиметр для исследования тонких неоднородных жидких прослоек
2 Исследование особенности граничного трения ротационным вискозиметром
Вывод
Литература
Введение
На поверхности раздела твердое тело – жидкость всегда создается пристенный слой жидкости, свойства которого отличаются от свойств объемной жидкой фазы вследствие действия поверхностных сил твердой подложки. Довольно подробно были исследованы различные свойства теплоемкость, оптическая анизотропия, дихроизм, в меньшей мере были изучены свойства связанные с вязкостью.
Такой параметр как вязкость является наиболее важным физическим свойством смазочных материалов, поскольку ее величина влияет на износ различных механизмов.
Настоящая работа посвящена исследованию — проблемы организации процессов трения и изнашивания, а именно — определению вязкости масел, которые выступают в роли смазочного материала в узлах механизмов, а также влияние ведения ПАВ на их свойства.
1. Жидкокристаллические слои их особенности
1.1Исследования ЭЖК
На поверхности раздела твердое тело – жидкость всегда создается пристенный слой жидкости, свойства которого отличаются от свойств объемной жидкой фазы вследствие действия поверхностных сил твердой подложки. Это впервые было отмечено, согласно Гарди [1], в 1801 г. Лесли. Такие пристенные слои различны по своим параметрам. Это могут быть адсорбционные монослои, либо системы из нескольких молекулярных слое, но могут создаваться более сложные, но и более интересные протяженные пристенные слои, примером которых являются граничные фазы (или эпитропные жидкие кристаллы). Представление об особой пристенной граничной фазы был введен Б.В.Дерягиным при анализе результатов экспериментов, проведенных совместно с В.В.Карасевым [3] по определению вязкости пристенных слоев жидкости. В этих экспериментах было установлено, что у некоторых полярных жидкостей вблизи от поверхности твердой подложки (диэлектрической или металлической) коэффициент вязкости отличается от его значения для объемной жидкости и остается постоянным до некоторой критической толщины ds, после чего скачком изменяется до значения, соответствующего объемной (изотропной) жидкости. Постоянство свойств в пределах всего пристенного слоя и существование резкой (по типу фазовой) границы раздела, отделяющей пристенный слой от объемной жидкости позволило выделять такой слой в отдельную граничную фазу. Далее в работах З.М.Зорина [4] были исследованы адсорбционные слои ряда полярных жидкостей, образованных на твердой подложки, и было показано, что такие слои ограниченно смачиваются собственной объемной жидкостью. Это однозначно указывало на отличие их свойств от свойств объемной жидкости.
Позднее при исследованиях теплоемкости пристенных слоев полярной жидкости (нитробензола) [5,6] было показано, что теплоемкость пристенных слоев нитробензола ниже теплоемкости объемной жидкости и установлено существование теплоты фазового перехода граничная фаза – объемная жидкость. В этих работах также была определена зависимость равновесной толщины граничной фазы от температуры. Проведенные выше указанные исследования пристенных слоев позволили предположить, что структура граничных фаз отлична от структуры объемной жидкости, являясь более упорядоченной, и подобна жидкокристаллической.
Первыми предположение о жидкокристаллическом строении граничных фаз выдвинули Б.В.Дерягин и Л.М.Щербаков [7], однако, тип структуры указан ими не был. Интересно отметить, что к выводу об ориентационной упорядоченности в пристенных полимолекулярных слоях ранее пришли также исследователи граничного трения [8], предположившие связь между гомеотропной упорядоченностью в пристенных слоях алифатических кислот, образованных на металлической поверхности, и возрастанием противоизносных свойств граничных смазочных слоев.
Оптическую анизотропию пристенных слоев воды, толщиной ds ~ 20 нм, образованных на слоистой матрице диэлектрика (пирофиллита) наблюдали Б.В.Дерягин и Грин-Келли [9]. Однако степень упорядоченности молекул в пристенных слоях и направление преимущественной ориентации молекул воды этих опытах установлено не было. В работе [10] для выяснения вопроса о величине и типе оптической анизотропиии, существующей в граничных слоях нитробензола на поверхности стекла и кварца, был использован метод плоского световода переменной толщины [10]. Этим методом было установлено, что для молекул нитробензола ряда характерна гомеотропная ориентация молекул в пристенных слоях и была проведена оценка равновесной толщины пристенных слоев. В последующих исследованиях этим методом была замечена корреляция между способом предварительной подготовки поверхности подложки (ее очистка хромовой кислотой, обработкой водородным пламенем) и величиной оптической анизотропии жидкой прослойки в световоде.
Прямым (и более информативным) способом изучения свойств упорядоченных пристенных слоев, измерения их структурных параметров явился метод исследования дихроизма собственных электронных полос поглощения [11].
Дипольные моменты электронных переходов в молекулах имеют определенные направления (поляризованы) и поэтому в спектрах поглощения ориентационно– упорядоченного ансамбля молекул наблюдается дихроизм поглощения. Для каждой полосы поглощения знак дихроизма определяется взаимным расположением моментов электронного перехода и электрического вектора световой волны, а величина дихроизма зависит от степени ориентационной упорядоченности молекул поглощающей среды. Мерой ориентационной упорядоченности ансамбля молекул является параметр порядка
, (1)где θ – угол между осью отдельной молекулы и направлением преимущественной ориентацией, а усреднение ведется по всему ансамблю молекул. На максимуме поглощения полосы коэффициент поглощения света – μ определяется выражением:
, (2)где
- дипольный момент перехода, 
- электрический вектор световой волны.В частном случае гомеотропной ориентации молекул ансамбля коэффициент поглощения инвариантен к состоянию поляризации падающего света и определяется формулой:
, (3)где
- коэффициент поглощения аналогичной изотропной среды, m – молекулярный параметр, определяющийся значением угла γ между дипольным моментом перехода и длиной осью молекулы:m = 0,5 (3*cos2 γ -1).
В случае планарной ориентации молекул ансамбля коэффициент поглощения также инвариантен состоянию поляризации падающего света и определяется формулой:
. (4)Таким образом, определив величину экстинкции ориентационно – упорядоченного пристенного слоя, можно определить минимум ориентации молекул в пристенном слое и рассчитать параметр порядка в нем.
Следует отметить, что высокая экстинкция в максимумах электронно-колебательных полос поглощения (например, для жидкости ароматического ряда) позволяет надежно фиксировать поглощение света в пристенных слоях с толщинами d
40 см.Для измерения локальных значений коэффициента поглощения в пределах пристенного слоя был разработан метод сканирования по толщине клиновидной прослойки исследуемой жидкости, образованной между двумя прозрачными подложками, узким световым зондом на частоте, соответствующей максимуму электронно-колебательной полосы поглощения.
В случае однородности оптических свойств прослойки зависимость логарифма интенсивности прошедшего света от толщины прослойки будет линейной:
(5)В случае же структурной (и как следствие) оптической неоднородности подложки зависимость lny = f(d) будет нелинейной, и ее анализ позволяет установить минимум ориентации молекул в прослойке, оценить ее структурной однородности и установить характер границы раздела: пристенный слой – объемная жидкость.
Рассмотренная методика пригодна лишь для жидкостей имеющих интенсивные электронно–колебательные полосы поглощения с длиной волны λ > 200 нм. Однако, у многих жидкостей (например, алифатического ряда) такие полосы лежат в области вакуумного ультрафиолета и этот метод непосредственно не применим.
В этих случаях возможно использовать, вариант метода дихроизма с внедрением в матрицу основной жидкости примесных молекул, изоморфных основным, но обладающих значительной экстинкцией в заданной области спектра и привести измерения их экстинкции.
Другой методикой исследования дихроизма поглощения ориентационно–упорядоченных пристенных слоев является метод нарушенного полного внутреннего отражения [3]. Как известно, в этом случае луч, попадающий из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, отражается, но и частично в ней поглощается. Соответствующая геометрия оптических элементов позволяет использовать многократное повторение полного внутреннего отражения, что увеличивает чувствительность метода. Таким способом были подтверждены результаты измерений методом измерения дихроизма собственных полос поглощения степени упорядоченности, существующей в пристенных слоях нитробензола, и гомеотропного типа ориентации молекул в них. Однако этим методом затруднительно определить степень однородности пристенных слоев и установить существование границы раздела: граничная фаза – объемная жидкость.