КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-23-00106

НазваниеМеханохимический синтез неорганических веществ: математическое моделирование и эксперимент на примере гетерогенных систем Ti-(N,Ni), Nb-Si

Руководитель Лапшин Олег Валентинович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-202 - Химия твердого тела, механохимия

Ключевые слова математическая модель, эксперимент, механическая активация, механохимический синтез, релаксация, горение, тепловой взрыв, структурные дефекты, избыточная энергия

Код ГРНТИ31.15.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Один из эффективных приемов ускорения химического превращения в смесях порошков – их интенсивная механическая обработка. На практике с этой целью наиболее часто используют планетарные мельницы. В результате механического воздействия, наряду с измельчением порошков, происходит образование межфазной поверхности, необходимой для реализации химического взаимодействия. Образование межфазной поверхности осуществляется путем «намазывания» одного из реагентов на другой в местах их фрикционного контакта. В ходе механообработки происходит непрерывное измельчение таких слоистых образований (микрокомпозитов) и формирование из них новых с более сложной внутренней структурой, в которой со временем могут появиться продукты реакции. Развитие этого процесса уменьшает размер отдельных слоев реагирующих веществ – масштаб гетерогенности, определяющий характерное время массопереноса реагентов друг к другу. В предельном случае масштаб гетерогенности может стать настолько мал, что наиболее медленная (лимитирующая) стадия химического превращения может перейти от массопереноса реагентов друг к другу к собственно химической реакции. Одновременно с измельчением и образованием микрокомпозитов в компонентах смеси создаются дополнительные структурные дефекты, в которых аккумулируется избыточная по сравнению с необработанным материалом энергия. В макроскопическом приближении часть этой энергии снижает активационный барьер химического взаимодействия. Помимо диспергирования, измельчения и улучшения смешения реагентов, механообработка приводит к активации поверхности реагентов, обусловленной введением дислокаций и точечных дефектов. Это позволяет повысить реакционную способность веществ и улучшить параметры их воспламенения и горения (в частности, полноту сгорания). В зависимости от интенсивности и времени механической обработки химическое превращение может происходить как в механоактиваторе (одностадийный механохимический синтез), так и вне его (двухстадийный механохимический синтез). Последний случай является более распространенным в практическом отношении. Здесь на первой стадии будет осуществляться получение частиц механокомпозитов, состоящих из агломерировавшихся компонентов исходной смеси, продукт реакции в которых либо отсутствует полностью, либо имеются незначительные или наперед заданные его количества. Дальнейшее использование механокомпозитов для создания новых веществ и материалов различными способами, в том числе методами технологического горения, происходит на второй стадии механохимического синтеза. Скорость химического превращения на последующей стадии синтеза, физико-химические и механические свойства механокомпозитов во многом будут определяться их структурой, в том числе слоистостью, которую характеризует толщина чередующихся внутренних слоев, состоящих из входящих в механокомпозиты разнородных компонентов. Отметим, что дополнительным фактором, определяющим механохимический синтез механокомпозитов, является намол вещества со стенок камеры механоактиватора и с мелющих тел. Этот неизбежный при измельчении процесс, приводящий к загрязнению смеси, обычно относят к ряду отрицательных факторов. В то же время, применительно к синтезу механокомпозитов в некоторых случаях намол (или специально вводимые на различных этапах механоактивации вещества) можно рассматривать как положительное явление, приводящее к пассивации частиц-полуфабрикатов, предотвращающей преждевременное химическое превращение. Основная цель данного проекта – изучение закономерностей одностадийного и двухстадийного механохимического синтеза в гетерогенных системе «твердый реагент – активный газ» и системе твердых реагентов, а также определение оптимальных режимов получения частиц механокомпозитов в механоактиваторе и на стадии химического превращения конечных продуктов с заданным фазовым составом и характеристиками. Экспериментальные исследования механохимического синтеза и горения будут проведены для систем Ti-(N, Ni), Nb-Si. Синтез продуктов будет осуществляться в двух режимах химического реагирования: объемном (тепловой взрыв) и фронтальном (волна горения). Вторая проблема, на решение которой нацелен предлагаемый проект – проведение специальных исследований, направленных на определение «времени жизни» (или времени релаксации) эффектов механоактивации в системе Ti-Ni. Реализация поставленной цели будет достигнута с использованием экспериментальных методов исследования, а также с помощью построенных в макроскопическом приближении математических моделей одностадийного и двухстадийного механохимического синтеза. Для проверки правильности модели исключительно важно иметь экспериментальные данные, полученные в условиях, близких к моделируемым. В настоящее время подавляющее большинство опытных данных получено именно для анализа процесса в макроскопическом приближении. В частности, проводимые замеры температуры и давления газа в измельчительных устройствах (механореакторах), химический, рентгенофазовый, рентгеноструктурный и др. анализы имеют дело со значительным количеством вещества, т.е. определяемые в результате величины являются макроскопическими. Именно такие осредненные величины – искомый результат математического моделирования в макроскопическом приближении. Важное требование к построенной математической модели – оценка всех используемых параметров модели из независимых экспериментов. Для этого планируется на основе полученных аналитических соотношений предложить методики экспериментального определения таких параметров (метод обратной задачи). Экспериментальную проверку результатов математического моделирования и оптимизацию синтеза планируется провести для практически востребованных систем Ti-(N, Ni), Nb - Si. Комплексное решение первой задачи с привлечением экспериментальных методов и, главным образом, методов создания математических моделей и моделирование на их основе процессов получения высокоактивных частиц с заданными физико-химическими и структурными характеристиками – обладает научной и практической новизной. Вторая задача, связанная с экспериментальной оценкой процессов релаксации эффектов механоактивации и с созданием математических моделей релаксационных явлений – ставится впервые в мире.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---