Введение к работе
Актуальность темы. Процессы, протекающие при деформации, трении или разрушении тзердых тел, долгое время относили к чисто физическим явлениям, оптимизация этих процессов была в первую очередь основана на выявлении их физических причин. Однако, данные, полученные в последние 30 лет, существенно расширили рамки подобного подхода: было показано, что химические процессы в этих случаях зачастую не менее важны.
Тот факт, что механическое воздействие может приводить к ряду химических последствий, далеко не нов и охзатывает круг явлений от таких давно известных как появление пламени при трении до данных о возможности взрыва в твердом теле, инициированном механическим путем. Общим подходом к изучению таки;: процессов является исследование механизма создания механических напряжений Б твердом теле (чисто физический процесс) и их релаксация по физическим и химическим каналам. 'Причем, реализация релаксации по различным каналам: выделение тепла, образование новой поверхности, образование различного рода дефектов в кристаллах, возбуждение химических реакций в твердой фазе - зависит как от свойств обрабатываемого вещества, так и от способа воздействия.
Практически _ во всех случаях, изучаемых механохинией, релаксация механических напряжений включает все вышеперечисленные каналы. Случаи, реализующие .лишь один из -этих способов крайне редки и требуют либо специальных условий ггровгд-чил обработки, либо вчЛ'.ра соответствующего материала, д&ккне предельные случая имеют первостепенное значение для изучения механизма мехакохимических реакций. В этой связи следует отмпкть. что релаксация механических напряжений по чисто химическому каналу практически не изучена. Реализация такого процесса б^моунч, по-видимому, лишь для ограниченного круга химических реакций, время протекания которых сравнимо со временем механического воздействия. Твердофазными реакциями, протекающими с достаточно большими скоростями являются процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СБС).
Такім образом, исследование СВС реакций, инициируемых механическим путем, позволяет изучать один из храйг.ос случаев релаксации механических напряжений - релаксация по химическому каналу. Изучение данного явления является одной из наиболее актуальных задач мехэнохимки.
Цель и 'алачч. Целью данной -работы является:
исследование закономерностей механической активации твердофазных реакций, протекающих в режиме СВС;
- изучение режима горения СВС реакций в реакторе вибрационной
мельницы.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
выбор на основе анализа енергетических аспектов работы вибромельницы соответствующего химического и морфологического состава твердофазных реагентов;
исследование процесса перемешивания исходных компонентов, приводящего систему к воспламенению;
изучения влияния газовой среды и массы навески исходных компонентов на реакционную кинетику;
расчет адиабатических температур горения широкого круга магниетермических реакций. Основанный на етих и эксперимерталь-ннх данных поиск механизма горения и образования фаз конечного продукта.
синтез боридов металлов, как реализация высоких адиабатических температур горения в системе мд-мехо -в2о3.
Научная новизна. Исходя из гипотезы о возможности совмещения механохимических и СВС процессов, вперзые были произведены синтезы боридов металлов в процессе механической активации смеси, состоящей из магния, оксида металла и борного ангидрида. Была продемонстрирована возможность влиять на фазовый состав продукта реакции посредством изменения условий механохимического воздействия. Использование при описании процесса вместо времени механической активации механической дозы позволило обобщить полученные результаты и найти ряд закономерностей данного процесса, две наиболее важные из которых состоят в резком изменении степени превращения - от 0 до 100* в момент
воспламенения системы и четкой корреляции критической дозы с термодинамичгскими параметрами процесса восстановления.
На основе термодинамического анализа были расчитаны адиабгтические температуры горения изучаемых систем и с учетом ексгерименїально найденных морфологических характеристик смеси была предложена модель горения изучаемых систем.
Практическая ценность. Продукты изучаемы}: реакций: металлы, аморфный бор, бориды металлов и окись магния представляют хорошо известный интерес в различных областях промышленности. Наиболее ценными с этой точки зрения являются аморфный бор и бориды. Круг прішенеьия этих соединений как в металлургии, так и при создании износостойких покрытий, хорошо известен. Восстановление бора по предложенной методике более технологично, чем существующие в настоящее время методы, так как требует меньших затрат электроэнергии (по сравнению с термическими методами восстановления, протекающими при температурах превышающие 1100С) и менее взрывоопасно (процесс восстановления борного ангидрида методом СВС проводят при высоком давлении). Кроме того, дальнейшая отмывка порошкообразного продукта, получаемого по данной технологии, исключает стадию предварительного измельчения компактного продукта (СБС технология). Помимо этого продукт реакции ьосстановления борного ангидрида магнием, состоящий из оксида магния и аморфного бора, является практически готовой шихтой для борирования металлических изделий с целью повышения их износостойкости.
На защиту выносятся:
результаты исследования процессов, протекающих при механо-химическом восстановлении оксидов металлов (неметаллов) магнием;
найденная в ряду цагниетермических реакций корреляция между критической механической дозой и энтальпией образования оксида (екзоеффектом реакции);
- механизм распространения фронта горения в реакторе,
включающий газофазный транспорт реагентов;
- механохимический способ синтеза боридов металлов, состояний
в параллельном проведении иагниетермического ьосстановления
оксидов металлов и борного ангидрида и реакции между продуктами э'.кХ реакций.
Апробация работы, Материалы диссертации докладывались на xvi Всесоюзной научно-технической конференции "Порошковая металлургия', Свердловск, 1989; vi Всесоюзном семинаре 'Дезинтеграторная технология", Таллинн, 1989; Межреспубликанской научно-технической конференции 'Конструкционная прочность, долговечность, упрочнение материалов деталей и машин", Волгоград, 1990; Всесоюзном семинаре "Механохимический синтез", Владивосток, 1990; xi Всесоюзном симпозиуме 'Механохимия и механоэмиссия твердых тел", Чернигов, 1990; vn Всесоюзном симпозиуме 'Растровая электронная микроскопия", Звенигород,
1991; Международном СИМПОЗИуме 'Mechanical Alloying", КИОТО,
1991.
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Материал работы изложен на 135 страницах, в том числе рисунков - 17, литературных ссылок -И?..