Понятие о механохимических процессах

Область науки, изучающая физику и химию процессов деформирования, разрушения и образования материалов и дисперсных структур, называется физико-химической механикой твердых тел и дисперсных структур или механохимией. Научные знания здесь находятся на стыке наук — коллоидной химии, молекулярной физики твердого тела и механики материалов. Одно из направлений физико-химической механики — это повышение прочности материалов для снижения массы, увеличения срока службы изделий, снижения расхода материалов на их изготовление и повышения эффективности производства.

Механохимические превращения обусловлены переходом вещества в метастабильное химически активное состояние, а также интенсификацией массопереноса в результате поглощения механической энергии. Активность твердых тел при деформировании, трении или разрушении вызвана возникновением колебательно- и электронно-возбужденных состояний межатомных связей, механически напряженных и разорванных связей, в том числе свободных радикалов, ион-радикалов, координационно-ненасыщенных атомов, различных структурных дефектов.

Механохимические процессы характеризуются энергетическим выходом Q, равным числу молей активных частиц или продуктов химического превращения, возникших в результате поглощения веществом 1 МДж механической энергии (моль/МДж). Для передачи механической энергии пластические материалы обрабатывают на вальцах-экструдерах и подобном оборудовании, порошки — в мельницах, дезинтеграторах или аналогичных машинах.

Поглощение механической энергии инициирует разложение веществ (в том числе вызывает деструкцию полимеров), полиморфные превращения, гетерогенные реакции твердого тела с жидкостями и газами, твердофазный синтез в смесях порошков и другие реакции.

Механическая обработка порошков сопровождается накоплением точечных дефектов, дислокаций аморфных областей, образованием новых поверхностей. В результате механического нарушения атомной структуры повышаются растворимость вещества и скорость растворения, облегчаются реакции с молекулами среды и другими твердыми телами (снижается энергия активации реакций), на порядки снижаются температуры твердофазного синтеза, термического разложения, спекания и т. д. Например, механическая активация увлажненного диоксида кремния (Si02) и других оксидов придает им вяжущие свойства и является основой безобжиговой технологии жаропрочных материалов.

При разрушении гетерогенные механохимические реакции твердое тело — газ и твердое тело — жидкость протекают на поверхностях. Основной вклад в химическую активность поверхности вносят координационно-ненасыщенные атомы. На поверхности диоксида кремния во время механической обработки порошка рвутся связи Si-O и возникают свободные радикалы =Si и =SiO; часть их быстро гибнет и на поверхности стабилизируются до 1017 м радикальных и молекулярных активных центров. Гетерогенные механохимические реакции, начавшись на поверхности, могут развиваться в глубину материала. Поэтому при механической обработке суспензий происходит растворение кремния в воде с образованием Н2 и

H4Si04: Si + 4H20 -> 2Н2 + H4Si04.

Механохимические полиморфные превращения захватывают весь объем вещества и такие переходы, как графит — алмаз, нитрид бора BN (графитоподобный) в боразон осуществляются в мощных ударных волнах при давлении в несколько ГПа.

Широкие возможности создания новых материалов открываются на основе композиций из неорганических веществ и полимеров органических соединений. Примером их являются резины — материалы из вулканизованных каучуков и сажи, масса которой достигает 50 % массы резины.