Основы дизайна функциональных материалов Лекция № 3 ФИЗИКО-ХИМИЯ ПОЛУЧЕНИЯ

«сверху - вниз», - это разрушение крупных частиц и зерен

на более мелкие структурные составляющие. Он имеет место при разрушении уже существующей структуры на более мелкие элементы и реализуется в процессах механического измельчения, интенсивной пластической деформации, методе высокодозных облучений.

измельчение в различных типах измельчителей. 2. Ультразвуковое измельчение. 3. Технология получения

дисперсных металлов в условиях искрового разряда в жидких диэлектриках . 4. Электрогидравлический удар. 5. Плазменная обработка.

представляет собой комбинацию давления и сдвига.

Гука: P = E x ε (1) где P – механические напряжение,

ε – относительное удлинение, E – коэффициент пропорциональности (модуль Юнга), модуль нормальной упругости.

Для кристаллов (ввиду их анизотропии) модуль упругости E зависит от направления.
Предельное напряжение до которого действует закон Гука – предел упругости Py.

не по направлению действующей силы, а в определенном кристаллографическом направлении.

Плоскости скольжения как правило – это плоскости наиплотнейшей упаковки. Для ионных кристаллов – NaCl система скольжения {111}.

Пластическая деформация определяется процессами возникновения и размножения подвижных дислокаций непосредственно в момент механического воздействия. Существующие в твердом теле дефекты создают препятствия для движения дислокаций. При малых скоростях движения дислокаций торможение их происходит из-за барьеров, которые можно преодолеть только путем термоактивации. В кристаллах встречаются 2 типа барьеров – линейные и локальные.

проблем в теории измельчения.
Реттингер. Работа, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна размеру

вновь образованной поверхности в измельчаемом материале.
Поверхность куба с ребром D: Fн = 6D 2 (1)
 Общая поверхность полученных кубов с ребром d:
Fк = 6d2 (D3/d3) (2)
 Вновь образованная поверхность: F = Fк - Fн = 6D2(i -1) (3)
Модель, предложенную Реттингером
можно считать справедливой только в случае измельчения твердого тела резанием или распиливанием, когда объем обрабатываемого материала практически не влияет на затрату энергии.
2. Если измельчение производится раздавливанием, раскалыванием, ударом или комбинированным способом, это предположение несправедливо, так как в этих случаях не учитывается энергия, затрачиваемая на деформацию тела без разрушения.
 

решетки.
Разнообразные точечные дефекты (вакансии, примесные атомы), ступеньки на дислокациях и

т.п.
При достижении нагрузки предела прочности, дислокации, остановившиеся у границы зерна, сливаются в одну, при этом высвобождается энергия и образуется трещина. При превышении предела прочности, трещина разорвет кристалл.

специальной обработки) предел текучести невысок, при пластической деформации происходит, как

правило, упрочнение. Дислокации легко выходят на поверхность кристалла, т.к. препятствия для этого невелики. Дислокации накапливаются.
В неметаллах, наоборот, деформация очень быстро приводит к образованию трещин. Дислокации перемещаются с трудом, препятствия высоки, дислокации задерживаются внутри кристалла, создают зародышевые трещины.

связи и прочности твердого тела исследовали ученые: Орован, Борн, Маделунг,

Френкель
Многочисленные измерения долговечности различных веществ под нагрузкой, показали, что энергия активации разрушения Q приблизительно численно равна энергии испарения вещества.

веществ
Вещество Q, кДж/моль

Eисп, кДж/моль
Si 473 465
NaCl 276 243
Zn 126 130
Fe 419 407

Близкие значения этих величин свидетельствуют об общности первичных стадий процессов. При испарении атомов с поверхности вещества в каждом акте отрыва атома от кристаллической решетки, разрывается число связей, которое приблизительно равно 1/2 координационного числа.

частицы различной дисперсности.
В составе этих частиц имеются и такие, которые

не должны были бы подвергаться разрушению в последующих приемах, но вывести их из процесса не возможно. Они остаются в общей массе материала, воспринимают на себя часть действующих усилий, гасят их, переизмельчаются и резко тормозят течение процесса в нужном направлении. Чем мельче частицы, тем меньше в материале внутренних дефектов, тем они прочнее и, следовательно, на их измельчение требуются большие затраты энергии.

частицы однородных материалов сохраняют свой состав и основные физико-механические свойства.
Расход

энергии при тонком измельчении теоретически должен быть в 3...4 раза больше, чем при крупном, мелком и среднем, а фактически он больше в 15...20 раз. Такое расхождение объясняется не только упрочнением частиц по мере уменьшения их размера, но главным образом тормозящим действием переизмельченного материала. В машинах крупного, среднего и мелкого дробления процесс измельчения завершается в 1...3 приема, а в машинах тонкого измельчения в 100...120 приемов разрушения.

чего в существенной мере нарушается кристаллическая решетка твердого тела. В

результате этого происходит изменение физических и химической активности. По кристаллической структуре и свойствам диспергированное вещество может быть чем-то промежуточным между кристаллической и аморфным веществом.

Изменение свойств диспергированного вещества может зависеть от свойств исходных веществ, величины и характера сил связи в этом веществе, от характера и величины действующих при диспергировании сил, от типа диспергирующего аппарата и режима диспергирования.
В зависимости от сочетания этих факторов в диспергированном веществе создаются в различном количестве различные дефекты, их ассоциации.

из Глава1.3 ДисСплит 

чтобы в аппарате происходила активация, необходимо:
1) чтобы в порошке

материала имелись частицы с размером меньше предела разрушенияв (исходном материале не содержатся достаточно мелкие частицы);
2) чтобы мощность механического импульса, воспринимаемого такой частицей, была выше некоторого порога (критический размер и критическая мощность определяются положением точки вязко - хрупкого перехода). Мощность механического импульса, достаточная для проведения процесса пластической деформации.

следующие основные группы:
1)раскалывающего и разламывающего действия; 2)раздавливающего действия; 3)истирающе-раздавливающего действия; 4)ударного действия; 5)ударно-истирающего действия; 6)коллоидные

измельчители.

8, вибратора 2, пружинных или резиновых опор 3, опорной рамы

4, электродвигателя 5, эластичной муфты 6, соединяющей вал двигателя с валом вибратора

(истирание). При скольжении материал движется в направлении противоположном направлению вращения

барабана вокруг оси.
2. Перекатывание (удар). При перекатывании загрузка находиться в виде сегмента, смещенного в направлении движения барабана.
3. Вихревой режим. Распределение загрузки по всему барабану, шары описывают кривые близкие к эллиптическим. Свободный пробег шаров в этом случае значителен, при встречи шара со стенкой или частицей, материал разрушается, в основном, ударом.

навстречу друг другу роторов, сидящих на отдельных осях. На роторах

укреплены по концентрическим окружностям «пальцы». Причем «пальцы» одного ротора размещаются внутри концентрических окружностей другого ротора.  
Материал, продвигаясь от центра к периферии барабанов, многократно ударяется об пальцы и разрушается. Преобладает процесс удара.

бункер.

наибольшей эффективностью создания новой свободной поверхности обладает планетарные мельницы, а

минимальной пневматические мельницы.
Влияние температуры, среды и поверхностно-активных веществ на процесс диспергирования.
Для хрупких веществ (к ним относятся большинство неорганических соединений – оксиды, сульфиды и т.д.) разрушение можно увязать с образованием и развитием зародышевых трещин, а они зависят от подвижности дислокаций в твердом теле. С увеличением температуры барьеры для дислокаций «снижаются» («размываются»), становятся легче преодолимыми. Требуется значительная деформация для того, чтобы образовалась трещина разрушения. Поэтому с увеличением температуры эффективность диспергирования снижается.

температуры до 200 – 250 К снижается работа разрушения от

100 до 1 кДж, т.е. металл становиться хрупким. Действительно при диспергировании металлического Fe при температуре 80 К эффективность измельчения резко увеличилась.

поверхностно - активных веществ. добавки некоторых веществ (органических кислот, спиртов,

аминов) снижают прочность измельчаемых веществ.
П.А. Ребиндер доказал, что снижение прочности веществ связано со снижением свободной поверхностной энергии и, соответственно, уменьшением работы увеличения поверхности. Понижение прочности в зависимости от концентрации ПАВ идет параллельно их адсорбируемости и характеризуется уравнением, аналогичным уравнению Лангмюра:

ΔB = ΔB∞


ΔB – понижение прочности, с – концентрация ПАВ, ΔB∞ - максимальное понижение прочности при условии полного насыщения адсорбционного слоя, α – константа.

 

атомами, возникают индуцированные адсорбцией поверхностные заряды и поверхностные структуры. В

результате облегчается образование зародышевых микротрещин. ПАВ, попадая в микротрещину, снижает поверхностную энергию, облегчает развитие микротрещин. Причем, адсорбционные понижение прочности веществ проявляется тем сильнее, чем более дефектен кристалл. На бездефектных кристаллах адсорбционное снижение прочности может отсутствовать.
Эффективность ПАВ зависит от способа их введения и условий механического воздействия.
Наиболее эффективно ПАВ действует, если вводить их постепенно по мере измельчения, с увеличением свободной поверхности.
Наиболее благоприятны для воздействия ПАВ такие условия измельчения, при которых деформация происходит со скоростями сравнимыми со скоростями миграции жидкости к новой поверхности, проникновению ПАВ в микротрещены. Диспрегирование в жидких средах иногда более эффективно, быстрее достигается большие значения Sуд, чем в сухом виде.