Введение к работе
[: Актуальность теш. Процессы, протекающие при деформации, трении или разрушении твердых тел, долгое время относили к чисто физическим явлениям, оптимизация этих процессов была в первую очередь основана на Быявлегаш 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 в твердом теле (чисто физический процесс) и их релаксации по физическим и химическим каналам. 'Причем, реализация релаксации по различным каналам: выделение тепла, образование новой поверхности, образование различного рода дефектов в кристаллах, возбуждение химически реакций в твердой фазе - зависит как от свойств обрабатываемого вещества, так и от способа воздействия.
Практически _ во всех случаях, изучаемых мех&нохимией, релаксация механических напряжений включает все вышеперечисленные каналы. Случаи, реализующие .лиізь один из этих оперев крайне редки и требугіт либо специальных условий прлв-ггч^л обработки, либо ьч'"'[й соответствующего материала, данные предельные случаи имеют первостепенное значение для изучения механизма мехакохимических реакций. В этой связи следует отмггить. что релаксация механических напряжений по чисто химическому каналу практически не изучена, Реализация такого процесса BO?»,owH!i. по-видиному. 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 (СВС).
Такім образом, исследование СВС реакций, инициируемых механическим путем, позволяет изучать один из крайг.л случаев релаксации механических напряжений - релаксация по химическому каналу. Изучение данного явления является одной из наиболее актуальных задач механохимии.
Цель и -ятчп. Целью данной -работы является:
исследование закономерностей механической активации твердофазных реакцийі протекающих в режиме СБС;
- изучение режима горения СВС реакций в реакторе вибрационной
мельницы.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
выбор на основе анализа энергетических 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 "чгнля, 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 1005 в момент
воспламенения системы и четкой корреляции критической ДОЗЫ о термодинамическими параметр?' т процесса восстановления.
На основе термодинамического анализа были расчитаны адиабатические температуры горения изучаемых систем и с учетом экспериментально найденных морфологических характеристик смеси была предложена модель горения изучаемых систем.
Практическая ценность. Продукты изучаемы;: реакций: металлы, аморфный бор, бориди металлов и окись магния представляют xopc-so известный интерес в различных областях промышленности. Наиболее ценными с этой точки зрения являются аморфный бор и бориди. Круг применения этих соединений как в металлургии, так и при создан,»» износостойких покрытий, хорош известен. Восстановление бора по предложенной методике более технологично, чем существующие в настоящее время методы, так как требует меньших затрат электроэнергии (по сравнению с термическиш методами восстановления, протекающими при температурах превнладщкх И00С) и менее взрывоопасно (процесс восстановлзния борного ангидрида методом СВС проводят при высоком давлении). Кроме того, дальнейшая отмывка порошкообразного продукта, полущеного по данной технологии, исключает стадию предварительного измельчения компактного продукта (СБС технология). Помимо этого продукт реакции восстановления борного анг"дрида магнием, состоящий из оксида магния и аморфного бора, является практически готовой пихтой для борирования металлических изделий с целью повышения их износостойкости.
На защиту выносятся:
результаты исследования процессов, протекающих п?и механо-химическом восстановлении оксидов металлов (неметаллов) магнием;
найденная в ряду магниетермических реакций корреляция между критической механической дозой и энтальпией образования оксида (екзоэффектом реакции);
- механизм распространения фронта горения в реакторе,
включающий газофазный транспорт реагентов;
- механохимический способ синтеза боридов металлов, состояний
в параллельном проведении магниетермического восстановления
оксидов металлов и борного ангидрида и реакции мевду продуктами этз*х реакций.
Апробация работа. 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 "Механохшический 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 рисушэв - 17, литературных ссылок -112.