Механохимический синтез энергетических композиционных материалов

механохимии ИФХЭ РАН

измельчение и перемешивание компонентов, создание контактов между частицами, массоперенос в

зонах контакта, а также формирование фазы продуктов осуществляются в процессе механической обработки смеси реагентов. Аналогичный процесс в смесях металлов принято называть механическим сплавлением.

ей передают достаточную дозу энергии. Это может быть либо один

мощный импульс, либо серии малых импульсов в аппаратах типа шаровых мельниц, либо медленная пластическая деформация, например на наковальнях Бриджмена или в экструдере.

в энергонапряженной (10-1…101 Вт/г) шаровой вибрационной или планетарной мельнице, где

удары шаров по слоям порошка (10-5…10-4 с) чередуются с более продолжительными периодами отдыха.

превращается в конечные продукты. Между исходными веществами и продуктами создается

последовательность промежуточных состояний. Каждое новое состояние, образующееся при поглощении очередной порции энергии, отражает движение реакционной системы от исходных веществ к продуктам синтеза.

твердых реагентов, снижаются размеры частиц, создается и растет площадь контакта

между исходными компонентами SА/В. В зонах контакта атомы А и В встречаются друг с другом. Чем больше SА/В, тем больше пар А-В в смеси, тем дальше система уходит от исходного состояния.

состояние реакционной смеси. Величину SА/В, м2/г относят к 1 г

реакционной смеси. Изменения площади контактов SА/В в процессах измельчения и перемешивания компонентов вызваны поглощением энергии извне. Поэтому мерой воздействия на реакционную смесь является количество энергии, поглощенной реакционной смесью - доза D [Дж/[г], а движение реакционной смеси к продуктам характеризует величина энергетического выхода G, [моль/Дж].

реакционной смеси. Измельчение кристаллической структуры характеризует работа образования поверхности АS

или энергетический выход образования поверхностных атомов GS [моль/МДж], величина которого обратно пропорциональна АS

частицами компонентов А и В. Тогда выход расходования исходных веществ

прямо пропорционален выходу образования поверхности контакта:

2. Продукты реакции образуются в процессах массопереноса на всей уже созданной поверхности контакта SА/В; тогда выход прямо пропорционален общей площади зон контакта между частицами А и В :

Рост площади межзеренных и межфазных границ и образование других дефектов

структуры приводят к накоплению избыточной энергии. Когда уровень ее достигает критического уровня, состояние реакционной смеси становится неустойчивым.
Дальнейшее перенасыщение энергией в момент импульсного нагружения инициирует сброс ее, сопровождающийся восстановлением нарушенной кристаллической структуры (структурной релаксацией).
При механической обработке реакционной смеси наиболее вероятным направлением релаксации является формирование фазы продукта реакции АВТВ, сопровождающееся освобождением теплоты реакции в зонах контакта А/В.

поглощенная смесью энергия удара инициирует структурную релаксацию, основным направлением которой

является синтез продукта

Баланс энергии, выраженный в тепловых единицах:

с энергией удара (GMAX*QХИМ

чисто деформационному механизму. Когда же освобождающаяся теплота релаксации вызывает дополнительный разогрев реакционной смеси (т.е. (GMAX*QХИМ1), перемешивание перейдет в диффузионный режим.
Таким образом, величина безразмерного произведения или GMAXQХИМ является критерием, разграничивающим “холодный” деформационный и “теплый” диффузионный режимы механохимического синтеза. Если адиабатическая температура для реакционной смеси выше температуры плавления одного из компонентов, то реакция перейдет в режим теплового самоускорения (это характерно для СВС-составов).

и кинетических характеристик к конструкции и условиям функционирования изделий

модификация компонентов
структурно-морфологические характеристики композита как целого
удельная площадь межфазной поверхности компонентов
пористость

(режим прессования)
режим термической обработки

раствор парафина в гексане
3% раствор скипидара в гексане
2,5%

раствор олеиновой кислоты в гексане

Размольные среды:

порошок алюминия марки АСД-4
порошок бора аморфного марки Б-99В

Порошковые материалы:

шаров диаметром 6 мм из сплава ШХ-15
скорость вращения барабанов-

1061,5 об/мин
продолжительность обработки- 3…21 мин

Синтез проводился с использованием лабораторной мельницы-активатора с водяным охлаждением АГО-2У

JSM-6460LA с приставками энергодисперсионного анализа
рентгеновских дифрактометров Empyrean и Stoe

Humber G670
жидкофазного лазерного дифрактометрического анализатора высокого разрешения Microtrac S3500

21 мин. (кривая 413)
ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ
НА ТЕМПЕРАТУРУ ПЛАВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЯ

марки АСД-4

исходной (кривая 618) и снятые после механоактивации
продолжительностью

от 3 мин. (кривая 619) до 21 мин. (кривая 625)

кислоты
21 мин
7 мин
3 мин

олеиновой кислоты
Влияние времени синтеза и состава среды на величину удельной

площади поверхности композиционных порошков

падает, фрагментация приобретает квазихрупкий характер и ускоряется;

Разрушение происходит преимущественно по

межфазным поверхностям, что приводит к наблюдаемому переобогащению поверхностных слоев бором и снижает скорость агрегации частиц за счет сварки;
Обусловенная балансом между скоростями фрагментации и сварки стабилизация среднеобъемного размера и компонентного состава частиц происходит практически одновременно;
Сильное влияние олеиновой кислоты на гранулометрический состав объясняется снижением интенсивности процессов сварки из-за адсорбции олеиновой кислоты и увеличением скорости фрагментации композиционных частиц вследствие адсорбционного понижения прочности.

частиц космической среды при взаимодействии с защитными экранами
Направления совершенствования
Повышение эффективности

и снижение массы за счет снижения размеров и увеличения поперечного импульса фрагментов

(B.G. Cour-Palais, J.L. Crew, 1990)
сетчатые экраны (E.L. Christiansen et

al, 1990, 1993)
разнесенные сетчатые экраны (F. Hörz et al, 1995)
оптимизированные сетчатые экраны (A.S. Semenov et al, 2004)
дискретные экраны (компактные массивные элементы на легкой тканевой основе)
дискретные экраны с элементами из ЭНК

(D.E. Grady, N.A.Winfree, 2001)

экранах (ms=4,05 кг/м2)

вклада откольного разрушения, снижение размера фрагментов
увеличение скорости поперечного разлета

фрагментов
возможность развертывания экрана непосредственно на орбите, размещение на оптимальном расстоянии от корпуса аппарата
возможность использования компактных элементов из ЭНК

быстрому взрывному горению
активность по отношению к механохимическим превращениям при интенсивных

механических воздействиях (при высокоскоростной деформации)
высокий уровень энерговыделения и газообразования
возможность управления периодом индукции и скоростью механохимических превращений
технологичность и доступность компонентов

компактными элементами из ЭНК
ЭНК «Al-ПТФЭ»
ЭНК «W-ПТФЭ»

на пластине – свидетеле:
а) экран с инактивными элементами удельной массой

2,31±0,19 кг/м2, скорость индентора – 2910 м/с;
б) экран с активными элементами удельной массой 2,42±0,12 кг/м2, скорость индентора – 3270 м/с

б

а