Математическая модель механохимического синтеза позволит повысить эффективность процессов СВС

Ученые научно-исследовательского отдела структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН – зав. лабораторией математического моделирования физико-химических процессов в гетерогенных системах Олег Лапшин и старший научный сотрудник Оксана Иванова опубликовали статью «Macrokinetics of mechanochemical synthesis in heterogeneous systems: Mathematical model and evaluation of thermokinetic constants» в востребованном журнале «Materials Today Communications» ( https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352492821006632 ). Полученные ими результаты комплексно представляют смоделированный процесс механохимического синтеза с учетом основных его параметров и позволяют повысить эффективность самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Синтез многокомпонентных безгазовых систем относится к числу перспективных способов получения композиционных материалов. Как правило, превращение исходных компонентов в продукты проходит в несколько реакционных стадий, а скорость этих реакций зависит от многих физико–химических факторов, что существенно осложняет анализ опытных данных и оптимизацию синтеза композитов с требуемым содержанием фазовых составляющих. Дополнительные возможности управления синтезом в многокомпонентных системах дает механообработка или механическая активация отдельных реагентов и их смесей в энергонапряженной мельнице – механоактиваторе. Метод механохимического синтеза относится к ресурсосберегающим и экологически чистым технологиям, позволяющим в безопасных условиях получать конечный продукт с заданным комплексом необходимых свойств и параметров. Подобные технологии можно использовать для синтеза наночастиц и материалов из них.

Применение предварительной механообработки позволяет расширить номенклатуру низкокалорийных систем, например, никель-алюминий, алюминий-магний, титан-алюминий, титан- кремний, тантал-кремний, ниобий-кремний, железо-кремний, тантал-углерод, титан-углерод, ниобий-титан, в которых можно осуществить высокотемпературный синтез в режиме горения и теплового взрыва.

В результате интенсивного механического воздействия на порошковые смеси происходит измельчение компонентов, увеличение межфазной реакционной поверхности путем «намазывания» их друг на друга в местах фрикционного контакта и снижение эффективного активационного барьера реакции из-за увеличения избыточной энергии в реагентах, аккумулированной в образовавшихся структурных дефектах. В дополнение к этому обнаружено, что в механосинтезированных смесях одного и того же состава в зависимости от параметров механической обработки могут образовываться фазы различной структуры и морфологии.

Другое немаловажное преимущество предварительной активации смеси – возможность управления СВС-процессом, что позволяет переводить его в различные режимы химического взаимодействия. Например, продлив время предварительной механоактивации, на втором этапе механосинтеза, можно добиться резкого снижения температуры самовоспламенения порошковой смеси (для теплового взрыва) и увеличения температуры и скорости горения в условиях послойного синтеза.

В статье рассматриваются возможности математического моделирования, с помощью которого можно оптимизировать процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в предварительно механоактивированных составах.

По мнению ученых, ранее применяемые подходы имеют существенный недостаток. Дело в том, что при их использовании моделирование осуществляется без одновременного учета в процессе механохимического синтеза основных параметров: температуры, полноты химического превращения, величины межфазной поверхности, величины запасенной в активированном веществе избыточной энергии. Предложенный подход (в статье он называется макроскопическим) позволяет исправить этот пробел.

Исследователи впервые добавили в систему уравнений, традиционно применяемых в исследованиях процессов СВС, новые, определяющие динамику реакционной поверхности в ходе измельчения и агломерации реагентов, а также динамику дефектов (избыточной энергии), образующихся при механической активации. Полученные результаты имеют важное значение для специалистов-теоретиков, работающих в области математического моделирования, а также для материаловедов, стремящихся создать эффективные (экономически и экологически) технологии производства материалов и изделий с улучшенными свойствами.