Механохимический синтез в условиях интенсивного механического активирования реакционной смеси широко применяют для получения различных соединений и материалов, в том числе с использованием метода СВС.
Механохимия - это область химии, изучающая химические и физико-химические изменения веществ во всех агрегатных состояниях: под влиянием механической энергии. Это термин был введен В. Оствальдом в начале прошлого столетия по аналогии с названиями других направлений химии, таких как термо-, электро-, фото- и радиационная химия. Название этих направлений соответствует виду энергии, который используется для осуществления химических реакций. Однако с механохимией человечество знакомо давно. Еще в доисторические времена люди использовали трение и удар для получения огня. Позже кремневые запалы широко применяли для поджигания в различных видах огнестрельного оружия. Также давно известно, что коррозия металлов, растворение деформированных веществ ускоряются особенно резко в условиях трения.
В механохимии выделяют три основных направления - это механохимический синтез, механическое легирование и механическое активирование. Отличие направлений друг от друга заключается в поставленной цели, для которой используют механическую обработку. Например, механохимический синтез применяют для получения определенных химических соединений, например интерметаллидов, сульфидов, карбидов, боридов, силицидов, нитридов. Механическое легирование используют для создания механокомпозитов или порошковых сплавов материалов, которые трудно получить традиционными способами.
Целью механического активирования (МА) является создание запаса энергии, который затем реализуется в каком-либо процессе, например СВС. Преимущества МА в технологиях СВС связаны с быстротой протекания реакций, препятствующих аннигиляции накопленной шихтой энергии. Основная идея МА СВС заключается в повышении реакционной способности шихты.
Применительно к технологиям СВС под механическим активированием понимают начальную стадию обработки исходных порошковых реагентов и их смесей. На этой стадии протекают процессы структурной и субструктурной трансформации реагентов и шихты в целом, происходит накопление энергии. При этом важнейшей технологической задачей является поиск оптимального докритического запаса внутренней энергии системы, выше которого начинается самопроизвольная механохимическая реакция непосредственно в барабане, в том числе в режиме горения.
На рисунке 26 приведен общий вид зависимости глубины превращения в процессе механохимического синтеза от времени обработки реакционной смеси. При этом точке К соответствует некоторое критическое время МА, при превышении которого химическая реакция протекает непосредственно в барабанах мельницы и приводит к синтезу продуктов реакции, т.е. в этом случае идет механохимический синтез. Взаимодействие компонентов под действием механических сил приводит к уменьшению накопленной энергии, и в большинстве случаев дальнейшее использование такой шихты в процессах СВС невозможно.
Характер кривых и эффективность МА в процессе СВС определяются, прежде всего, количеством переданной шихте энергии, которое зависит от типа и мощности используемого оборудования, состава и свойств активируемых материалов.
Исследования показывают, что при правильном выборе технологического оборудования (планетарные, вибрационные, торсионные мельницы) изменения, происходящие с шихтой при МА, являются существенными, несмотря на то что до 90 % подведенной механической энергии превращается в тепловую. Эти изменения заключаются в более равномерном распределении компонентов шихты, что важно в случае многокомпонентных смесей, измельчении частиц реагентов и формировании большей реакционной поверхности смеси, увеличении плотности дефектов структуры металлических и неметаллических реагентов. Возможность материалов запасать энергию МА определяется их природой и способностью к пластической деформации. Как правило, различают три основные группы реакционных смесей: пластичный-пластичный, хрупкий-пластичный, хрупкий-хрупкий.
Какова бы ни была природа компонентов смеси, механоактивация приводит к уменьшению размера кристаллитов и накоплению дефектов в порошковых частицах, которые вводят дополнительную энергию в реакционную систему в форме межфазной (граничной) энергии и энергии деформации. Это обусловливает снижение активационных барьеров для химических реакций.