Теоретичні основи подрібнення і механоактивації матеріалів для наплавлення і газотермічного напилення

Abstract

Одним з нових напрямків в отриманні композиційних матеріалів є застосування механічної активації компонентів суміші перед СВС-процесом. Дана операція дозволяє зробити взаємоподрібнення вихідних порошків і сформувати композиційні частинки з рівномірним розподілом вихідних реагентів за обсягом, а також знижує тепловтрати при синтезі, підвищує активність системи і гомогенність продукту горіння, сприяє утворенню нанорозмірних синтезованих включень в обсязі матриці. Процес подрібнення розглядається у фізиці руйнувань, як руйнування твердих тіл послідовною серією механічних впливів. Завданням теорії подрібнення є встановлення взаємозв'язку між дисперстністю порошку, фізико-хімічними і механічними властивостями частинок, витратами енергії і параметрами млинів. Кінцева мета досліджень в області тонкого подрібнення – пророкування результату диспергування матеріалів різних властивостей, тобто створення тонкодисперсних частинок з високою питомою поверхнею при мінімальній кількості експериментальних робіт по їх подрібненню. Проаналізована кінетична концепція міцності твердих тіл, яка довела, що руйнування – це термодинамічний процес, і дозволила прогнозувати руйнування на мікро- та макрорівні, а також двостадійна модель руйнування гетерогенних матеріалів, що базується на кінетичній моделі міцності. Розглянуто питання подрібнення – процесу руйнування шматків твердого матеріалу при критичних внутрішніх напруженнях, створюваних в результаті якого-небудь навантаження і які перевищують відповідну межу міцності. Подрібнення ділять на дроблення і помел, а машини, які застосовуються для цих цілей, називаються дробарками і млинами. Основною характеристикою процесу подрібнення є ступінь подрібнення. Проаналізовано фізику процесу механоактивації неорганічних матеріалів. Механоактивація – процес утворення хімічно активної речовини шляхом механічного подрібнення. Механохімічна активація твердих тіл вивчає комплекс взаємопов'язаних явищ і процесів, що протікають при механічному впливі на тверде тіло, як в момент механічної обробки, так і в ії результаті. Боуден і Тейбор запропонували модель "гарячих точок" для пояснення механічного ініціювання хімічних реакцій. Вони виявили, що в процесі тертя за 10-3-10-4 с. температура підвищується до 1000 К, і що саме це є причиною механічного індукування хімічних реакцій. В процесі механоактивації значну роль відіграють властивості самих матеріалів. Аморфізація поверхні, в першу чергу, спостерігається для матеріалів з високою твердістю і крихкістю, таких як корунд, кварц і т.д. Енергія, яка до них підводиться, не встигає розсіюватися. Система змушена значну її частину акумулювати в собі на створення внутрішніх дефектів.Для механоактивації матеріалів для наплавлення і напилення найбільше застосування отримали кульові млини, що представляють собою циліндричний барабан, закритий з торців, усередині якого містяться кулі і оброблюваний матеріал. В даний час активно розвивається метод механоактивованого високотемпературного синтезу при якому на першому етапі реакційну суміш обробляють протягом порівняно короткого часу в апараті-активаторі і потім використовують як прекурсор для СВС.Встановлено, що механоактивація розширює можливості проведення реакцій в саморозповсюджуваному режимі в концентраційних областях, де традиційний СВС не вдавалося реалізувати ні за яких умов. Процес механоактивації необхідний для ініціювання реакцій горіння низькокалорійних систем, в яких він може використовуватися замість попереднього підігріву. На основі аналізу сучасних уявлень про механізм руйнування твердих матеріалів, закономірностей подрібнення сумішей різноміцних матеріалів, процесу механоактивації матеріалів обгрунтовано актуальність проведення досліджень по створенню композиційних матеріалів із застосуванням СВС-процесу.

Одним из новых направлений в получении композиционных материалов является применение механической активации компонентов смеси перед СВС-процессом. Данная операция позволяет сделать взаимное измельчение исходных порошков и сформировать композиционные частицы с равномерным распределением исходных реагентов по объему, а также снижает теплопотери при синтезе, повышает активность системы и гомогенность продукта горения, способствует образованию синтезированных наноразмерных включений в объеме матрицы. Процесс измельчения рассматривается в физике разрушений, как разрушение твердых тел последовательной серией механических воздействий. Задачей теории измельчения является установление взаимосвязи между дисперсностью порошка, физико-химическими и механическими свойствами частиц, затратами энергии и параметрами мельниц. Конечная цель исследований в области тонкого измельчения – предсказание результата диспергирования материалов разных свойств, то есть создания тонкодисперсных частиц с высокой удельной поверхностью при минимальном количестве экспериментальных работ по их измельчению. Проанализирована кинетическая концепция прочности твердых тел, которая доказала, что разрушение – это термодинамический процесс, и позволила прогнозировать разрушения на микро- и макроуровне, а также двухстадийная модель разрушения гетерогенных материалов, основанный на кинетической модели прочности. Рассмотрены вопросы измельчения – процесса разрушения кусков твердого материала при критических внутренних напряжениях, создаваемых в результате какого-либо нагружения и превышающих соответствующий предел прочности. Измельчение делят на дробление и помол, а машины, применяемые для этих целей, называются дробилками и мельницами. Основной характеристикой процесса измельчения является степень измельчения. Проанализирована физика процесса механоактивации неорганических материалов. Механоактивация – процесс образования химически активного вещества путем механического измельчения. Механохимическая активация твердых тел изучает комплекс взаимосвязанных явлений и процессов, протекающих при механическом воздействии на твердое тело, как в момент механической обработки, так и в ее результате. Боуден и Тейбор предложили модель "горячих точек" для объяснения механического инициирования химических реакций. Они обнаружили, что в процессе трения за 10-3-10-4 с. температура повышается до 1000 К, и что именно это является причиной механического индуцирования химических реакций. В процессе механоактивации значительную роль играют свойства самих материалов. Аморфизация поверхности, в первую очередь, наблюдается для материалов с высокой твердостью и хрупкостью, таких как корунд, кварц и т. д. Энергия, которая к ним подводится, не успевает рассеиваться. Система вынуждена значительную ее часть аккумулировать в себе на создание внутренних дефектов. Для механоактивации материалов для наплавки и напыления наибольшее применение получили шаровые мельницы, представляющие собой цилиндрический барабан, закрытый с торцов, внутри которого помещаются шары и обрабатываемый материал. В настоящее время активно развивается метод механоактивированого самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при котором на первом этапе реакционную смесь обрабатывают в течение сравнительно короткого времени в аппарате-активаторе и затем используют как прекурсор для СВС. Установлено, что механоактивация расширяет возможности проведения реакций в самораспространяющемся режиме в концентрационных областях, где традиционный СВС не удавалось реализовать ни при каких условиях. Процесс механоактивации необходим для инициирования реакций горения низкокалорийных систем, в которых он может использоваться вместо предварительного подогрева. На основе анализа современных представлений о механизме разрушения твердых материалов, закономерностей измельчения смесей разнопрочных материалов, процесса механоактивации материалов обоснована актуальность проведения исследований по созданию композиционных материалов с применением СВС-процесса.

One of the new directions in the production of composite materials is the use of mechanical activation of the components of the mixture before the SHS process. This operation allows you to make mutual grinding of the initial powders and form composite particles with a uniform distribution of initial reagent volume, and reduces heat loss during the synthesis, increases the activity of the system and the homogeneity of the product of combustion, contributes to the formation of synthesized nanoscale inclusions in the volume of the matrix.The grinding process is considered in the physics of destruction, as the destruction of solids by a series of mechanical actions. The aim of the grinding theory is to establish the relationship between the dispersion of the powder, physical,chemical and mechanical properties of particles, energy costs and parameters of mills. The ultimate goal of research in the field of fine grinding is to predict the result of dispersion of materials of different properties, that is, the creation of fine particles with a high specific surface area with a minimum amount of experimental work on their grinding. The kinetic concept of strength of solids, which proved that the destruction is a thermodynamic process, and allowed to predict the destruction at the micro-and macro-level, as well as a two-stage model of destruction of heterogeneous materials, based on the kinetic model of strength.The problems of grinding - the process of destruction of pieces of solid material at critical internal stresses generated as a result of any load and exceeding the corresponding strength parameters. Grinding is divided into crushing and grinding, and the machines that are used for this purpose are called crushers and mills. The main characteristic of the grinding process is the degree of grinding. The physics of the process of mechanical activation of inorganic materials is analyzed.Mechanoactivation is the process of formation of a chemically active substance by mechanical grinding. Mechanochemical activation of solids studies a complex of interrelated phenomena and processes occurring during mechanical action on a solid body, both at the time of machining and as a result. Bowden and Tabor proposed a "hot spot" model to explain the mechanical initiation of chemical reactions. They found that in the process of friction by 10-3 - 10-4s. the temperature rises to 1000 K, and this is the cause of mechanical induction of chemical reactions. In the process of mechanical activation, the properties of the materials themselves play a significant role.Amorphization of the surface is primarily observed for materials with high hardness and brittleness, such as corundum, quartz, etc. the Energy that is supplied to them does not have time to dissipate. The system is forced to accumulate a significant part of it to create internal defects. For mechanical activation of materials for surfacing and spraying, ball mills, which are a cylindrical drum closed from the ends, inside which the balls and the processed material are placed, are most used.Currently, the method of mechanoactivated self-propagating high-temperature synthesis is actively developed in which at the first stage the reaction mixture is treated for a relatively short time in the activator apparatus and then used as a precursor for SHS. It is established that mechanoactivation extends the possibility of reactions in the self-propagating mode in the concentration areas where the traditional SHS could not be implemented under any conditions.The process of mechanical activation is necessary to initiate combustion reactions of low-calorie systems in which it can be used instead of preheating. Based on the analysis of modern ideas about the mechanism of destruction of solid materials, the laws of grinding mixtures of different materials, the process of mechanical activation of materials, the relevance of research on the creation of composite materials using SHS-process.