Теоретические основы измельчения и механоактивации материалов для наплавки и газотермического напыления

Аннотация

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.