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

  • 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.
    6964
  • 12/03/2021

    «Наука всегда работает для будущего...»

     8 Марта — это прекрасный повод написать о тех женщинах, чьим призванием стала наука. В каждом институте Сибирского отделения трудятся ученые, посвятившие ей свою жизнь, добившиеся значимых результатов в своей сфере исследований.
    489
  • 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.
    1870
  • 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".
    1353
  • 07/04/2021

    7 апреля 2021 года состоятся заседания Объединенных ученых советов СО РАН по направлениям науки

     Повестка заседания Объединенного ученого совета СО РАН по математике и информатике (15:00, конференц-зал ИМ СО РАН).  Повестка заседания Объединенного ученого совета СО РАН по нанотехнологиям и информационным технологиям (с 10:00 новосибирского времени в режиме видеоконференции).
    3758
  • 10/02/2021

    Учёные исследуют высокоэнтропийные сплавы – материалы нового класса

    Учёные и аспиранты кафедры естественнонаучных дисциплин СибГИУ (участник НОЦ «Кузбасс») в содружестве с коллегами из Института сильноточной электроники СО РАН, Самарского национального исследовательского университета имени академика С.
    843
  • 24/03/2021

    Учёные ТПУ нашли способ эффективнее прогнозировать свойства изотопологов диоксида хлора

    Ученые Томского политехнического университета провели исследование изотопа 35ClO2 и разработали математическую модель и программное обеспечение, которые позволяют предсказывать его характеристики в десятки раз точнее по сравнению с известными результатами.
    424
  • 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.
    1138
  • 03/11/2020

    Итоги осеннего А:СТАРТ: 13 новых проектов получили приглашение стать резидентами бизнес-инкубатора Академпарка

    В акселерационном онлайн-марафоне А:СТАРТ, который начался в сентябре, приняли участие более 90 человек, представивших 51 проект. Сертификат, дающий  право стать резидентом Технопарка Новосибирского Академгородка получили 13 команд.
    641