Развитие производства и выбор оптимальных условий эксплуатации новых конструкционных материалов, адсорбентов, катализаторов, газоразделительных мембран и т.п. немыслимы без учета их транспортных характеристик. Поэтому диффузионные явления интенсивно изучаются, и к настоящему времени накоплен большой материал, как экспериментальный, так и теоретический. Обнаруженная при этом высокая чувствительность диффузии к особенностям строения среды позволила разработать новый метод диагностики твердых тел и процессов переноса – метод диффузионного газового зонда (ДиГЗ).
Метод диффузионного зонда основан на направленном использовании диффузии специальным образом подобранного вещества (или нескольких веществ) для анализа структуры, состава, транспортных и динамических характеристик объекта исследования. Диффузионные зонды нашли применение для решения различных задач физической химии (изучение химических реакций газ-твердое тело, адсорбции, катализа и др.), радиохимии (состояние радона в твердых телах различной природы), химии твердого тела (анализ микроструктуры различных веществ, находящихся в конденсированном состоянии), радиационной химии (модификация полимеров, отжиг радиационных дефектов), материаловедении (изучение композитов, поведение материалов при деформации и др.), термическом анализе (исследование твердофазных реакций, фазовых переходов, термодеструкции, спекания и т.п.), промышленной дефектоскопии (контроль сварных швов, обнаружение начальной стадии разрушения защитных покрытий, декорирование газовых пузырьков), а также химической технологии (диагностика химических аппаратов, мембранная технология, сорбционно-десорбционное концентрирование и др.). Методы ДиГЗ используются в области аналитической химии (датчики на основе радиоактивных инертных газов), в технике (изучение коррозии, трения, истирания и т.п.) и в области исследования природных процессов и экологии (диагностика окружающей среды, радиохимия геотермальных вод и газов, эманационная разведка полезных ископаемых).
Основные успехи были достигнуты в развитии диффузионно-структурного анализа (ДСА) твердых тел, под которым понимают вариант метода ДиГЗ, предназначенный для изучения структуры твердых тел и ее изменений при различного рода воздействиях. Отличительной особенностью ДСА является возможность получения прямой информации о дефектных, разупорядоченных участках материала. Метод ДСА в значительной степени использует традиционные диффузионные методики, однако он располагает и совершенно самостоятельной техникой, обладающей большей чувствительностью, динамичностью, разрешающей способностью и, самое главное, большим числом степеней свободы.
В предлагаемой монографии изложены принципы применения диффузионных атомных зондов (главным образом, радиоактивных инертных газов) для изучения неоднородности структуры твердых тел и материалов. Цель монографии – введение читателя в круг представлений новой области науки – диффузионного материаловедения. При этом основные усилия автора были направлены не столько на составление полного обзора всех работ в этой области, сколько на создание учебного пособия, призванного помочь заинтересованным лицам активно овладеть идеями и методами ДСА. Поэтому в книге значительное внимание уделено методическим аспектам проведения диффузионного эксперимента, а также обработке и интерпретации результатов.
Монография состоит из двенадцати глав. В первой главе проведена классификация различных вариантов ДСА, описаны сферы их применения и дан анализ основных исторических этапов развития ДСА. В последующих шести главах описаны экспериментальные методы газовой диффузии и способы их модификации для структурных целей. Каждая глава содержит идею метода, технику и методику проведения эксперимента и математический аппарат, позволяющий определять параметры диффузии в рамках классического механизма переноса. Значительное внимание уделено методам контроля за распределением диффузионного зонда по поверхности и объему образца. Глава 8 посвящена анализу феноменологических моделей диффузии газов в твердых телах. Основное внимание обращено на рассмотрение транспортных процессов в гетерогенных активных средах. Особенности использования ЭВМ для обработки результатов диффузионного зондирования приведены в гл.9. В главе 10 собраны данные по механизму диффузии инертных газов в твердых телах различного типа. В двух последних главах даны примеры применения диффузионных методов для решении проблем материаловедения, химии твердого тела, химической технологии, аналитической химии и некоторых технических задач.
В основу учебного пособия положены курсы лекций, в течение ряда лет читаемые профессором И.Н.Бекман в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова.
Книга предназначена для научных
сотрудников и преподавателей. Она может быть использована в качестве учебного
пособия для аспирантов и студентов, специализирующихся в области химии твердого
тела, технологии неорганических материалов и полимеров, прикладной радиохимии и
материаловедения.