Фізичні властивості матеріалів: опис поняття, методи визначення, суть матеріалознавства

У будь-якого з матеріалів маються фізичні, механічні, теплофізичні, міцнісні, хімічні, гидрофизические і багато інші властивості. Але в цій статті ми конкретно розберемо саме перші – фізичні властивості матеріалу. Дамо визначення, перерахуємо конкретно, що під ними ховається, а також детально охарактеризуємо кожну з властивостей.

Визначення

Фізичні властивості матеріалу – всі властивості, які притаманні речовин без хімічного впливу на них.

Будь-який матеріал залишається незмінним (самим собою) при одній умові – до тих пір, поки незмінний його складу, а також його будова молекул. Якщо речовина немолекулярное – поки зберігається однаковим його склад і зв’язок між атомами. А вже відмінності у фізичних властивостях і інших характеристиках матеріалу допомагають розділяти суміші, що складаються з нього.

Важливо знати і те, що фізичні властивості матеріалу можуть бути різними для різних його агрегатних матеріалів. Скажімо, теплові, електричні, механічні, фізичні, оптичні властивості речовини залежать від обраного напрямку в кристалі.

Наповнення терміна

Фізичні властивості речовини включають такі як:

  • В’язкість.
  • Температура плавлення.
  • Щільність.
  • Температура кипіння.
  • Теплопровідність.
  • Колір.
  • Консистенція.
  • Діелектрична проникність.
  • Абсорбція.
  • Теплоємність.
  • Емісія.
  • Радіоактивність.
  • Індуктивність.
  • Плинність.
  • Електропровідність.

А фізичні властивості матеріалу представлені в основному наступним:

  • Щільність.
  • Пустотність.
  • Пористість.
  • Гігроскопічність.
  • Водопроникність.
  • Вологовіддача.
  • Водопоглинання.
  • Воздухостойкость.
  • Морозостійкість.
  • Термічний опір.
  • Теплопровідність.
  • Вогнестійкість.
  • Вогнетривкість.
  • Радіаційна стійкість.
  • Хімічна стійкість.
  • Довговічність.

І фізичні, хімічні і технологічні властивості матеріалів однаково важливі. Але ми розберемо докладніше першу категорію. Представимо характеристику найважливіших фізичних властивостей конструкційних матеріалів.

Щільність

Одне з найважливіших властивостей в матеріалознавстві. Щільність поділяється на три категорії:

  • Істинна. Маса одиниці об’єму матеріалу, визнаного абсолютно щільним.
  • Середня. Це вже маса одиниці об’єму при природному стані матеріалу (з порами і пустотами). Таким чином, середня щільність виробів з одного і того ж матеріалу може бути різною – залежно від пустотності і пористості.
  • Насипна. Використовується для сипких матеріалів – це пісок, щебінь, цемент. Так називається відношення маси порошкоподібних і зернистих матеріалів до до всього займаному ними обсягу (включається в розрахунки і простір між частками).
Дивіться також:  Будівельний технікум в Йошкар-Олі: адреса, спеціальності, вимоги при прийомі абітурієнтів

Щільність матеріалу впливає на його технологічні характеристики – міцність, теплопровідність. Вона буде прямо залежати від пористості і вологості. Зі збільшенням вологості, відповідно, щільність буде підвищуватися. Це і характерний показник для визначення економічності матеріалу.

Пористість

Серед фізичних, технологічних і механічних властивостей матеріалів не останнє місце займає і пористість. Це ступінь заповнення об’єму виробу порами.

В даному контексті пори – це дрібні комірки, заповнені водою або повітрям. Вони можуть бути великими і дрібними, відкритими і закритими. Якщо дрібні пори, приміром, заповнені повітрям, це підвищує теплоізоляційні властивості матеріалу. Величина пористості допомагає судити і про інших важливих характеристиках – довговічності, міцності, водопоглинанні, щільності.

Відкриті пори повідомляються як із навколишнім середовищем, так і між собою, можуть штучно заповнюватися водою при зануренні матеріалу в рідину. Зазвичай чергуються з закритими. В звукопоглинальних матеріалах, наприклад, штучно створюється відкрита пористість і перфорація – для більш інтенсивного поглинання звукової енергії.

Закриті пори за розподілом і розміром характеризується наступним:

  • Інтегральна крива розподілу об’єму пор в одиниці об’єму за їх радіусах.
  • Диференціальна крива розподілу по радіусах обсягу пір.

Пустотність

Продовжуємо розглядати фізичні властивості матеріалів (щільність, морозостійкість та інші). Наступне тут – порожнистість. Так іменується кількість порожнин, що утворюються між окремими зернами пухкого, розсипчастого матеріалу. Це щебінь, пісок та ін.

Водопроникність

Водопроникністю називається здатність матеріалу віддавати рідина при його висушуванні і поглинати воду при зволоженні.

Під час дослідження фізичних властивостей матеріалів треба звернути увагу на те, що насичення водою може проходити двома шляхами: при дії речовини в рідкому стані або при впливі тільки його пари.

Звідси виходять і два інших важливих властивості – це гігроскопічність і водопоглинання.

Дивіться також:  Закон збереження імпульсу і моменту імпульсу: приклад розвязання задачі

Гігроскопічність

Як визначається дане фізична властивість матеріалів в матеріалознавстві? Гігроскопічність – здатність поглинати водяні пари і утримувати їх усередині себе як наслідок капілярної конденсації. Безпосередньо залежить від відносної вологості і температури повітря, розміру, різновиди та кількості пір речовини, його природи.

Якщо матеріал активно притягає своєю поверхнею молекули води, то він називається гідрофільним. Якщо матеріал, навпаки, відштовхує їх від себе, то він носить ім’я гідрофобного. Крім цього, окремі гідрофільні матеріали відмінно розчиняються у воді, в той час як гідрофобні непохитно пручаються впливу водних середовищ.

Водопоглинання

Якщо розповідати коротко про фізичні властивості будівельних матеріалів, то не можна не згадати про водопоглинанні – здатності утримувати і вбирати рідину. Властивість характеризується обсягом води, впитываемым сухим матеріалом при його повному зануренні у воду. Виражається у відсотках від маси (матеріалу).

Водопоглинання буде менше істинної пористості вироби, так як певну кількість пір в ньому залишається закритими. Тому воно буде змінюватися від їх кількості, обсягу, ступеня відкритості. На величину буде впливати і природа матеріалу, його гідрофільність.

В результаті насичення матеріалу водою інші його фізичні властивості часом значно змінюються: зростає теплопровідність, щільність, збільшується обсяг (характерно для глини, деревини), знижується міцність через порушення зв’язків між окремими частинками.

Вологовіддача

Це здатність матеріалу віддавати вологу в навколишнє середовище. Перебуваючи на повітрі, сировина та вироби зберігають свою вологість тільки в певних умовах – при рівноважної відносної вологості повітря. Якщо показник нижче цієї величини, то матеріал починає віддавати вологу в атмосферу, высушиваться.

Швидкість цього процесу залежить від декількох факторів: від різниці між вологістю самого матеріалу і вологістю повітря (чим вона більша, тим інтенсивніше висушування), від властивостей самого матеріалу – його пористості, природи, гідрофобності. Так, сировину з великими порами, гідрофобне буде легше віддати рідина, ніж гідрофільний матеріал, з дрібними порами.

Дивіться також:  PhD - це... Розшифровка, особливості, умови отримання

Воздухостойкость

Воздухостойкостью називається здатність матеріалу протягом тривалого часу витримувати багаторазове систематичне висушування і зволоження без втрат своєї механічної щільності, а також без значних деформацій.

Якісь матеріали при періодичному зволоженні починають розбухати, якісь- дають усадку, якісь- занадто коробляться. Деревина, наприклад, піддається знакозмінних деформацій. Цемент при частому зволоженні-висиханні схильний руйнуватися, обсипатися.

Водопроникність

Це фізична властивість – здатність матеріалів пропускати через себе рідину під тиском. Характеризується обсягом води ,яка за 1 годину проходить через 1 кв. м матеріалу під тиском до 1 МПа.

Важливо відзначити, що зустрічаються і повністю водонепроникні матеріали. Це сталь, бітум, скло, основні різновиди пластмас.

Морозостійкість

Важливе фізична властивість в російських реаліях. Так називається здатність матеріалу, насиченого водою, витримувати багаторазові поперемінні заморожування і відтавання без значного зменшення міцності, появи видимих ознак руйнування.

Руйнування при цьому процесі нерідко з-за того, що при заморожуванні вода збільшується в своєму обсязі приблизно на 9 %. При цьому найбільша її розширення при переході в лід спостерігається при позначці -4 °С. При заповненні пор матеріалу водою, її розширення та замерзанні, порові стінки відчувають значні пошкодження, які і ведуть до руйнування матеріалу.

Відповідно, морозостійкість буде визначати ступінь насичення пір водою, його щільність. Морозостійкими вважаються саме щільні матеріали. З пористих у цю категорію можна віднести тільки ті, які відрізняються великим присутність закритим пір. Або чиї вода заповнює пори не більше ніж на 90 %.

Фізичні властивості здатні уявити важливі здатності матеріалів. Деякі з них ми вже детально розібрали в статті. Це здатність витримувати холод, багаторазові наповнення водою і висушування, утримувати, вбирати, віддавати рідина та інші важливі характеристики.