Учёные из разных городов и научных учреждений обсудили результаты фундаментальных исследований в области химии твердого тела и её роли в решении проблем технологической независимости России, развитии малотоннажной химии и в решении проблем импортозамещения. Конференция прошла 2-4 июля 2024 года в ИХТТМ СО РАН (г. Новосибирск).
Научная программа представленных на мероприятии докладов акцентирована на рассмотрение фундаментальных вопросов химии твердого тела, и при этом на новые подходы к анализу механизмов твердофазных процессов, прежде всего, практически важных.
Большое внимание было уделено генерации и эволюции дефектов, явлений переноса и химического транспорта в твердых телах; свойствам вещества в пластическом, разупорядоченном, сильнодеформированном, наноразмерном и иных метастабильных состояниях.
Были представлены новые подходы к инновационным процессам переработки минерального сырья, в том числе редкометалльного; химическим процессам в аддитивных технологиях. Значительная часть работ была посвящена исследованию новых материалов и способов их конструирования, в том числе для экологически чистой, ресурсосберегающей энергетики.
Кроме того, большой интерес вызвали работы молодых учёных лаборатории физико-химической механики и механохимии ИФХЭ РАН, посвященные вопросам механического легирования порошковых металлов в шаровых мельницах-активаторах для получения новых высокоэнергетических материалов, для улучшения композиционных материалов, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и др. Следует отметить, что на сегодняшний день это направление не имеет мировых аналогов и представляет особый практический интерес.
Доклады были представлены на секции, посвященной изучению механизмов твердофазных процессов, образованию и эволюции дефектов, явлениям переноса и химическому переносу в твердых телах, химическим процессам для аддитивных технологий.
Хорошо известно, что обработка порошков металлов в органических размольных средах часто сопровождается механодеструкцией исходных органических компонентов и сорбцией продуктов их механического разложения.
Представитель лаборатории, научный сотрудник лаборатории Дмитрий Булатников выступил с устными докладом «Исследование кинетических закономерностей предпламенного окисления композиционных порошков "алюминий-активированный углерод-графит", полученных синтезом в присутствии эмульсии».
Дмитрий рассказал об использовании метода механического легирования алюминиевых порошков газообразующими промоторами высокотемпературного окисления в присутствии эмульсионных размольных сред при изучении кинетики предпламенного окисления композиционного порошка «алюминий-активированный углерод-графит».
«Композиционные порошки, полученные путём механической обработки в эмульсионной размольной среде "ацетонитрил-гексан" обеспечивают совместимость порошковых наполнителей на основе алюминия с матричными материалами, оптимизируют гранулометрический состав композиционных порошков и представляют интерес при разработке новых энергоемких композиционных материалов на основе алюминия», – прокомментировал Дмитрий Булатников.
Инженер лаборатории Андрей Пономарчук в своём докладе «Термодесорбционная спектроскопия Zr, механоактивированного в углеводородной среде» рассказал о закономерностях сорбции водорода и образовании карбогидридных фаз в процесе механоактивации порошков циркония и оценил количественное содержания водорода в зависимости от времени обработки. Концентрации веществ в исходном гексане и в размольной среде после помола определены при помощи хромато-масс-спектрометрии.
«Количество сорбированного водорода в цирконии растет с увеличением продолжительности механической обработки и возрастает приблизительно в 3 раза, что, по-видимому, обусловлено увеличением площади поверхности частиц порошка. Анализ спектров ТДС показал, что десорбция водорода, вне зависимости от продолжительности механообработки, протекает в диапазоне температур 400-800 °С, имеет двухстадийный характер процесса, обусловленный как минимум двумя состояниями водорода в цирконии и сопровождается образованием сильно аморфизованных карбидных, гидридных и карбогидридных фаз, – подчеркнул Андрей Пономарчук. – Вакуумный отжиг при ~650 °С приводит к кристаллизации Zr3O. Нагрев до 850 °С приводит к образованию смеси хорошо кристаллизованных фаз Zr3O и ZrC. Увеличение длительности механообработки приводит к увеличению содержания ZrC после отжига. Очевидно, что в процессе вакуумного отжига сорбированные фрагменты механодеструкции гексана разлагаются на водород и сажу, с которой и начинает взаимодействовать с цирконий при температуре ~600 °C».
Синтез новых высокоэнергетических материалов часто проводят в среде жидких углеводородов, поэтому одной из проблем является определение процессов, протекающих в жидкой фазе. В процессе механоактивации температура внутри размольного барабана может достигать 500 °С в моменты соударения мелющих тел. В таких температурных режимах протекает крекинг углеводородов, что приводит к образованию различных комплексов, способных влиять на состав и свойства конечного продукта.
На примере системы "Al–Cуг–Cгр" в докладе инженера Александра Ишутина «Определение продуктов деструкции гексана при синтезе композиции "алюминий–активированный уголь–графит"» был продемонстрирован состав продуктов разложения гексана в процессе механоактивации.
«С увеличением времени помола, растёт концентрация соединений, присутствующих в размольной среде, – рассказал Александр Ишутин. – В частности, в результате механохимического синтеза, происходит деструкция углеводородов с образованием не только изомеров гексана, но и более разветвлённых углеродных цепей».
Александр Ишутин награждён дипломом III степени по итогам конкурса молодых учёных в номинации «Лучший устный доклад».
В докладе научного сотрудника Алексея Тимакова «Исследование влияния добавки активированного угля в качестве газообразующего промотора на кинетику предпламенного окисления композиционных порошков «AL-C», полученных в поверхностно-инактивной размольной среде» были представлены результаты работы, направленной на решение задачи обеспечения нарушения сплошности оксидной пленки при окислении и предотвращение конденсации оксидов при горении парофазного алюминия при механическом легировании алюминия промоторами высокотемпературного окисления и горения.
«Термоаналитические исследования проб композиционных порошков, содержащих активированный уголь, показали значительное увеличение скорости высокотемпературного окисления по сравнению с чистым порошком алюминия марки АСД-4. Удалось установить значительное повышение скорости и полноты высокотемпературного окисления полученного композита по сравнению с чистым алюминием. Так, для системы «Al-C» привес порошковых проб при окислении в области температур 600 – 800 °C повышается более, чем в 3 раза, по сравнению с чистым алюминием и составляет 6-7% (для систем чистого алюминия 2%). Также удалось установить значительное снижение энергии активации композиционных порошков «алюминий-активированный уголь-графит» по сравнению с чистым алюминием», – прокомментировал Алексей Тимаков.
Устный доклад инженера лаборатории Марии Драник «Структура, свойства и СВС-превращения в комозиционных порошках Zr-B4C-Al» затронул другой важный аспект применения.
На сегодняшний день использование композиционных прекурсоров, изготавливаемых при помощи механического легирования является перспективным методом при котором можно получить современные материалы с улучшенными свойствами такие, как керамика, композиты, получаемые методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Известно, что состав и характеристики конечного продукта существенно зависят от структурно-морфологических характеристик композиционных прекурсоров. Последние, в свою очередь, определяются режимом механической отработки и отличаются чувствительностью к малым добавкам.
В докладе показано, как механическое легирование Zr и B4C в присутствии малой добавки Al приводит к образованию фаз внедрения, содержащих цирконий, бор, углерод и кислород, и как длительность обработки влияет на эволюцию параметров кристаллической решетки компонентов и удельной площади межфазной поверхности.
«Продукты СВС-превращения в среде воздуха представляют собой фазы ZrB2 и ZrC. Увеличение продолжительности обработки прекурсора способствует снижению как среднего размера частиц продукта (с ~9 до ~6 мкм), так и размера ОКР (c 220 до 120 нм для ZrB2). Эволюция этих характеристик является, очевидно, следствием значительного увеличения дефектности частиц композиционного прекурсора, – пояснила Мария Драник. – Увеличение удельной площади поверхности прекурсора должно приводить к увеличению количества оксидных примесей. Тем не менее, содержание фазы ZrO2 не превышает 3 % (масс.) вне зависимости от длительности механической обработки. Промотирующее действие Al на твердофазное взаимодействие Zr и B4C можно объяснить снижением содержания свободного B4C в прекурсоре и образованием в процессе СВС жидкофазного Al, препятствующего проникновению кислорода вглубь образца».
Исследования выполнены с применением методов электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и оптической лазерной дифрактометрии.
Устный доклад научного сотрудника Леонида Ягудин «Механическое легирование циркония нитридом бора» был посвящен изучению эволюции структуры и морфологии композиционных порошков Zr-BN в процессе совместной механообработки и закономерностей фазообразования в процессе их СВС-превращений. В докладе с использованием методов сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской и оптической лазерной дифрактометрии была рассмотрена эволюция структуры и фракционного состава порошков 98% Zr-2% h-BN в процессе механоактивации в среде гексана.
«На начальном этапе обработки (3 мин) доминирующими процессами являются пластическое течение циркония и образование слабосвязанных агрегатов с анизометрической структурой, сопровождающееся появлением аморфизованных ГЦК фаз ZrH1.66 и сложной смеси карбогидридов циркония, – пояснил Леонид Ягудин. – Образование карбогидридов, вероятно, обусловлено адсорбцией молекул гексана с последующим разрывом связей С-Н и миграцией водорода в объем высокодефектного циркония. Увеличение продолжительности обработки приводит к уплотнению агрегатов, искажению решетки циркония и значительному накоплению дефектов».
Фото: Молодые учёные лаборатории физико-химической механики и механохимии ИФХЭ РАН в числе участников международной конференции HTSSC-2024 / 03.07.2024
Материал подготовлен: Кулькова Татьяна / Администратор сайта ИФХЭ РАН