Ученые научно-исследовательского отдела структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН – зав. лабораторией математического моделирования физико-химических процессов в гетерогенных системах Олег Лапшин и старший научный сотрудник Оксана Иванова опубликовали статью «Macrokinetics of mechanochemical synthesis in heterogeneous systems: Mathematical model and evaluation of thermokinetic constants» в востребованном журнале «Materials Today Communications». Полученные ими результаты комплексно представляют смоделированный процесс механохимического синтеза с учетом основных его параметров и позволяют повысить эффективность самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). 

 
Синтез многокомпонентных безгазовых систем относится к числу перспективных способов получения композиционных материалов. Как правило, превращение исходных компонентов в продукты проходит в несколько реакционных стадий, а скорость этих реакций зависит от многих физико–химических факторов, что существенно осложняет анализ опытных данных и оптимизацию синтеза композитов с требуемым содержанием фазовых составляющих. Дополнительные возможности управления синтезом в многокомпонентных системах дает механообработка или механическая активация отдельных реагентов и их смесей в энергонапряженной мельнице – механоактиваторе. Метод механохимического синтеза относится к ресурсосберегающим и экологически чистым технологиям, позволяющим в безопасных условиях получать конечный продукт с заданным комплексом необходимых свойств и параметров. Подобные технологии можно использовать для синтеза наночастиц и материалов из них. 

 
Применение предварительной механообработки позволяет расширить номенклатуру низкокалорийных систем, например, никель-алюминий, алюминий-магний, титан-алюминий, титан- кремний, тантал-кремний, ниобий-кремний, железо-кремний, тантал-углерод, титан-углерод, ниобий-титан, в которых можно осуществить высокотемпературный синтез в режиме горения и теплового взрыва. 

 
В результате интенсивного механического воздействия на порошковые смеси происходит измельчение компонентов, увеличение межфазной реакционной поверхности путем «намазывания» их друг на друга в местах фрикционного контакта и снижение эффективного активационного барьера реакции из-за увеличения избыточной энергии в реагентах, аккумулированной в образовавшихся структурных дефектах. В дополнение к этому обнаружено, что в механосинтезированных смесях одного и того же состава в зависимости от параметров механической обработки могут образовываться фазы различной структуры и морфологии.

Другое немаловажное преимущество предварительной активации смеси – возможность управления СВС-процессом, что позволяет переводить его в различные режимы химического взаимодействия. Например, продлив время предварительной механоактивации, на втором этапе механосинтеза, можно добиться резкого снижения температуры самовоспламенения порошковой смеси (для теплового взрыва) и увеличения температуры и скорости горения в условиях послойного синтеза. 

 
В статье рассматриваются возможности математического моделирования, с помощью которого можно оптимизировать процессы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в предварительно механоактивированных составах. 

 
По мнению ученых, ранее применяемые подходы имеют существенный недостаток. Дело в том, что при их использовании моделирование осуществляется без одновременного учета в процессе механохимического синтеза основных параметров: температуры, полноты химического превращения, величины межфазной поверхности, величины запасенной в активированном веществе избыточной энергии. Предложенный подход (в статье он называется макроскопическим) позволяет исправить этот пробел. 

 
Исследователи впервые добавили в систему уравнений, традиционно применяемых в исследованиях процессов СВС, новые, определяющие динамику реакционной поверхности в ходе измельчения и агломерации реагентов, а также динамику дефектов (избыточной энергии), образующихся при механической активации. Полученные результаты имеют важное значение для специалистов-теоретиков, работающих в области математического моделирования, а также для материаловедов, стремящихся создать эффективные (экономически и экологически) технологии производства материалов и изделий с улучшенными свойствами. 

 
Источник: http://www.tsc.ru/

Источники

Математическая модель механохимического синтеза позволит повысить эффективность процессов СВС
ФГБУН Томский научный центр Сибирского отделения РАН (tsc.ru), 05/08/2021

Похожие новости

  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    1867
  • 18/06/2020

    Цитируемые ученые ТПУ: ториевый реактор, циркониевая керамика и скаффолды, покрытые пленкой оксида графена

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за май. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 38, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 4,507.
    1001
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    6961
  • 21/05/2021

    Акция «На острие науки». Лекция Евгения Горлова «Лазерные дистанционные обнаружители техногенных, биогенных и террористических угроз»

    ​28 мая с 14 до 15 часов (мск) состоится л​екция Евгения Горлова «Лазерные дистанционные обнаружители техногенных, биогенных и террористических угроз»​Большая угроза здоровью человека, большой вред экологии, большая вероятность возникновения чрезвычайной ситуации.
    1137
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    4762
  • 09/07/2021

    Год науки и технологий/Наука и университеты: Специализированные учебные научные центры погружают детей в прикладную науку

     В Год науки и технологий Правительство РФ внесло на рассмотрение Государственной Думы законопроект о финансировании специализированных учебных научных центров (СУНЦ) из федерального бюджета, а не через систему грантов, как это было раньше.
    1025
  • 04/09/2021

    Летающая машина, возможность видеть сквозь стены и бактерии, борющиеся с опустыниванием

    В дайджесте Минобрнауки России собраны самые важные, по мнению редакции, материалы о науке и образовании. Сегодня в рубрике: устройство, которое помогает видеть людей через стены, отслеживание эффективности приема лекарств пациентами с сердечно-сосудистыми заболеваниями и структура, которая концентрирует энергию внутри себя и не излучает ее наружу.
    329
  • 27/11/2020

    Первые водородные автозаправки хотят открыть в крупных городах

    Первые водородные автозаправки сначала должны появиться в крупных городах с населением больше миллиона человек. Они будут пробными - демонстрационными. А потом география этих автозаправок начнет расширяться.
    786
  • 02/03/2021

    Ученые НГТУ НЭТИ и ИХТТМ СО РАН создали стенд для испытаний деградации аккумуляторов электромобилей

    Ученые Новосибирского государственного технического университета НЭТИ создали лабораторную установку для испытаний литиевых аккумуляторов (ЛИА) для электромобилей с целью определения деградационной стойкости аккумуляторов.
    800
  • 14/12/2020

    Онлайн-семинар ИВМиМГ СО РАН по численному моделированию природных процессов

    ​​15 декабря 2020 года в 16.00 онлайн состоится заседание семинара ИВМиМГ СО РАН "Численные методы прямого и обратного моделирования природных процессов", д.ф.-м.н. Иван Гаврилович Казанцев сделает доклад "Прямое и обратное моделирование в задачах эмиссионной томографии и трансмиссионной электронной микроскопии".
    1352