Аккумуляция энергии механического удара кристаллическими решетками дисперсных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Шаяхметов, Айрат Ульфатович

  • Шаяхметов, Айрат Ульфатович
  • кандидат химических науккандидат химических наук
  • 2013, Уфа
  • Специальность ВАК РФ02.00.04
  • Количество страниц 114
Шаяхметов, Айрат Ульфатович. Аккумуляция энергии механического удара кристаллическими решетками дисперсных материалов: дис. кандидат химических наук: 02.00.04 - Физическая химия. Уфа. 2013. 114 с.

Оглавление диссертации кандидат химических наук Шаяхметов, Айрат Ульфатович

1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Актуальность работы.

1.2. Цель работы.

1.3. Научная новизна работы.

1.4. Практическая значимость работы.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

2.1. Механическая активация материалов ударными воздействиями.

2.2. Термодинамические свойства механически активированных материалов, проблемы и возможности их использования.

3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Метод механической обработки образцов.

3.2. Метод измерения размеров частиц.

3.2.1. Измерения с помощью лазерного анализатора.

3.2.2. Измерения с помощью зондового микроскопа.

3.3. Методы термического анализа.

3.4. Метод рентгеновского анализа.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

4.1. Кристаллический кремний.

4.2. Ионные кристаллы №С1, КС1.

4.3. Пероксиды щелочноземельных металлов: Са02 и Ва02,.

4.4. Сегнетоэлектрик титанат бария

4.5 Натриевое стекло.

4.6. Обсуждение.

5. ВЫВОДЫ.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физическая химия», 02.00.04 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аккумуляция энергии механического удара кристаллическими решетками дисперсных материалов»

1.1. Актуальность работы. Многие процессы переработки минерального сырья, химического синтеза, металлургии предполагают использование твердого вещее 1ва в измельченном сосюянии, в котором благодаря увеличению удельной поверхносш реа1 ирующих продуктов, возможности эффективного перемешивания комионенюв реакции создаются условия, ускоряющие протекание реакций в твердой и жидкой фазах. Использование современных измельчи 1ельных уоройс1в с высокой интенсивное 1 ыо механической обработки позволяет получать акшвированные вещеепза, обладающие высокой реакционной способностью и рас!воримос1ыо в различных средах. Значительные преимущества, получаемые при использовании механически активированных веществ обусловлены тем, что при разрушении кристаллических решеток веществ, образуются не только активные поверхности, но и вся кристаллическая решетка измельченной частицы активируется, что приводит к существенному увеличению их реакционной способности Кристаллическая решетка частиц, подвергнутых ударным воздейс1виям, приобретет дополнительную энергию (избьпочную эн1альпию), коюрая сущесизенно снижае1 энерге1 ические барьеры прохождения химических реакций в твердой фазе, а также способствует химическим реакциям в 1е1еро1енных средах. Все эю позволяв активированным веществам вс1упа1ь в различные реакции, коюрые сложно, а иногда и невозможно реализован^ в обычных условиях

Таким образом, энер! ия, аккумулированная крис I аллической реше1кой механически обрабо1анно1 о вещее 1ва, играс1 важнейшую роль при реализации химических превращений и является ключевым параметром в процессах механохимии Но, несмотря на ее важность, процессы накопления измельчаемыми чаешцами )нергии механического удара чрезвычайно мало изучены и систематических исследований в >юй области не проводилось. В связи с этим, значение исследований в этой облает физической химии чрезвычайно велико как для рациональною консфуирования измельчи 1ельных усфойс1В, 1ак и для разработки эффективных способов механической активации веществ, применяемых в органическом и неорганическом сишезе, процессах переработки минерального сырья, материаловедении, для решения экологических проблем и в дру| их облас1ях.

С другой сюроны, изучение физических явлений, возникающих в результат удара, дае1 уникальные возможности выяснения природы усюйчивосш кристллической решепси по ожошению к интенсивным механическим воздейс! виям, механизма 1снерации С1рук1урных несовершенств, усыновления роли химической связи и 1еометрии решетки В ЭIих процессах. 1.2. Целыо насюящей рабо!ы являе1ся усыновление физико-химических закономерностей процесса механической активации веществ с различным типом химической связи в усфойс1вах с разным харак1ером ударного воздействия; выявление особенноеIей измельчения и аккумуляции энергии, структурных изменений в крисшллических решепсах аюивированных ма1ериалов, а также поиск направлений прак[ическо1 о применения ак!ивированных состояний.

Похожие диссертационные работы по специальности «Физическая химия», 02.00.04 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Шаяхметов, Айрат Ульфатович

5. ВЫВОДЫ

На основании полученных данных об аккумуляции энергии дисперсными частицами различной химической природы в устройствах с различным характером ударного воздействия можно сделать следующие выводы:

1. На основе данных систематического анализа процесса аккумуляции энергии дисперсными частицами различной химической природы экспериментально установлено, что для двух разных режимов обработки (свободный и стесненный удар) наблюдается различный характер накопления энергии. Процесс накопления избыточной энергии для веществ с ковалентным типом химической связи, обработанных в центробежной мельнице, фиксируется на кривых ДТА и ДСК в виде отчетливых интенсивных экзотермических пиков, а в случае планетарной мельницы на кривых ДТА появляются пологие экзотермические пики гораздо меньшей интенсивности.

2. Выявлено накопление избыточной энергии в кристаллах с ковалентным типом химической связи, и отсутствие таковой для ионных кристаллов.

3. Выявлено, что механическая обработка ВаТЮз в режиме свободного удара позволяет получать его наночастицы.

4. Механическая обработка в режиме стесненного удара порошка, имеющего в своем составе 88 % ВаТЮз и 12 % не прореагировавших компонентов позволяет повысить содержание основной фазы до 96 %, т.е. провести механосинтез.

5. Обнаружено значительное накопление энергии смесью, состоящей из Ва02 и ТЮ2 в результате механической обработки в режиме свободного удара, зафиксированное в виде интенсивных экзотермических пиков на кривых ДТА.

6. Экспериментально установлено, что время жизни неравновесного состояния для грех исследованных механически активированных веществ (СаСЬ, 81, ВаТЮз) составляет не менее 1,5 лет.

7. Установлено, что интенсивная механическая обработка Са02 в режиме свободного удара приводит к увеличению его биологической активности в 4-5 раз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Шаяхметов, Айрат Ульфатович, 2013 год

1. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука, Сиб. отд - ние, 1986. 303 с.

2. Хайнике Г. Трибохимия. М.: Мир, 1987. 582 с.

3. Ломовскйй О.И., Болдырев В.В. Механохимия в решении экологических задач Новосибирск, ГПНТБ СО РАН, 2006. 201 с.

4. Хинт Й.А. Основы производства силикальцитных изделий. М. Л.: Гос. изд-во лит-ры по стр-ву, архитектуре и строит, мат-лам, 1962. 601 с.

5. Хинт Й.А. О четвёртом компоненте технологии. Научно-информационный сборник СКТБ «Дезинтегратор». Таллин: Валгус, 1980. С. 66-72.

6. Болдырев В.В. Экспериментальные методы в механохимии твердых неорганических веществ. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1983. 64 с.

7. Юсупов Т.С., Молчанов В.И. Физические и химические свойства дисперсных минералов. М.: Недра, 1981. 201 с.

8. Чайкина М.В. Механохимия природных и синтетических апатитов. Новосибирск, ГЕО, 2002. 224 с.

9. Уракаев Ф.Х., Жогин И.Л., Гольдберг Е.Л. Описание процесса обработки частиц в дезинтеграторе // Известия Сибирского отделения АН СССР. Серия химическая. 1985. Вып.З. №8. С. 124-131.

10. Жогин И.Л., Уракаев Ф.Х. Описание движения частиц в дезинтеграторе // Известия Сибирского отделения АН СССР. Серия химическая. 1985. Вып.4. №11. С. 129-132.

11. Каримов Н.Х., Запорожец Л.С., Ванаселья Л.С. и др. Строительные материалы дезинтеграторного приготовления. Тез. докл. V

12. Всесоюзного семинара «Дезинтеграторная технология». Таллин, 8-10 сент. 1987. С. 90.

13. Черепанов Ю.П., Фискинд Е.С. Неавтоклавный ячеистый бетон с применением дезинтеграторной технологии. Тез. докл. V Всесоюзного семинара «Дезинтеграторная технология». Таллин, 8-10 сент. 1987. С. 91 -93.

14. Мавлютов М.Р., Агзамов Ф.А., Чезлова Т.В. Принципы применения дезинтеграторной технологии для улучшения свойств тампонажных материалов. Тез. докл. V Всесоюзного семинара «Дезинтеграторная технология». Таллин, 8-10 сент. 1987. С. 95 97.

15. Ибраев Т.Н., Мавлютов М.Р., Агзамов Ф.А. и др. Низкотемпературный тампонажный материал дезинтеграторного приготовления. Тез. докл. V Всесоюзного семинара «Дезинтеграторная технология». Таллин, 8-10 сент. 1987. С. 98-99.

16. Гаврилов С.Н, Литяева З.А., Аллик А.Е. Применение дезинтеграторной технологии для получения «сухого» бурового раствора. Тез. докл. V Всесоюзного семинара «Дезинтеграторная технология». Таллин, 8-10 сент. 1987. С. 104.

17. Агулов И.И., Бортницкий В.И., Гороховский Г.А. Дезинтеграция металлических стружкоотходов. Тез. докл. V Всесоюзного семинара «Дезинтеграторная технология». Таллин, 8-10 сент. 1987. С. 108.

18. Агзамов Ф.А., Измухамбетов Б.С., Каримов Н.Х., Мавлютов М.Р Повышение долговечности тампонажного камня в агрессивныхфлюидах нефтяных и газовых скважин. Уфа Самара: Изд-во ГАЗНИИПРОМ, 1998. 272 с.

19. Массалимов И. А. Процессы обработки материалов в дезинтеграторе и их использование для активации химических превращений: дис. док. тех. наук. Уфа, 2009. 281 с.

20. Хинт И.А. Об основных проблемах механической активации. Материалы 5-го симпозиума по механоэмиссии и механохимии твёрдых тел. Таллин, 1975, т. 1. С. 12-23.

21. IV семинар «УДА технология» (6-8 сент. 1983 г.): Тезисы. Таллин: СКТБ «Дезинтегратор», 1983. 1 16 с.

22. V Всесоюзный семинар «Дезинтеграторная технология» (8-10 сент. 1987 г.): тезисы докладов. Таллинн: НПО «Дезинтегратор», 1987. 192 с.

23. XI Всесоюзный симпозиум по механохимии и механоэмиссии твердых тел (11-14 сент. 1990 г.): тезисы докладов. Чернигов: ОИХФ АН СССР, 1990. т. I: 204 е.; том II: 205 с.

24. VIII Всесоюзный семинар «Дезинтеграторная технология» (1-3 окт. 1987 г.): тезисы докладов. Киев: НПО «Дезинтегратор» и КТИПП, 1987. 208 с.

25. Иверонова В.И., Ревкевич Г.Н. Теория рассеяния рентгеновских лучей. Изд. 2. М.: Издательство Московского государственного университета, 1978. 278 с.

26. Келли Б. Радиационное повреждение твердых тел. М.: Атомиздат, 1970, 236 с.

27. Пилоян Г.О. Введение в теорию термического анализа. М.: Наука, 1964. 232 с.

28. Уэндлант У. Термические методы анализа. М.: Мир, 1978. 526 с.

29. Практическое руководство по термографии. Издательство

30. Казанского университета, 1976. 223 с.

31. Берг Л.Г. Введение в термографию. М.: Наука, 1969. 396 с.

32. Паулик Ф., Паулик И., Эрдеи Л. Дериватограф системы Паулик Ф., Паулик И. и Эрдеи Л. Теоретические основы. Будапешт. 145 с.

33. Fang Wu, Dieter Isheim, Pascal Bellon, David N. Seidman. Nanocomposites stabilized by elevated-temperature ball milling of Ag5oCu50 powders: An atom probe tomographic study. Acta Materialia 54. 2006, pp. 2605-2613.

34. Yuriko Nrunumo, Michihiko Nagumo. Structural relaxation in amorphous Ni50Ti50 alloy prepared by mechanical alloying. Material transections, vol.36, N7, 1995, pp. 842-847.

35. H.J. Fecht and Yu. Ivanisenko. Nanostructured Materials and Composites Prepared by Solid State Processing. Chapter 4, in book of William Andrew «Nanostructured Materials Processing, Properties and Applications», 2nd Edition. Elsevier, 2007. 784 P.

36. Elsukov E. P., Dorofeev G. A., Ulyanov A. L. and Maratkanova A. N. Механизмы, кинетика и термодинамика механического сплавления в несмешивающейся системе Fe-Mg // Химия в интересах устойчивого развития 13,2005. С. 191-196.

37. Chaikina M.V., S. Aman. Fracture, Grinding, Mechanical Activation and Synthesis Processes in Solids Under Mechanical Action. Science of Sintering, 37, 2005, pp. 93-105.

38. Янева В., Петкова В., Домбалов И. Структурные преобразования сирийского фосфорита при механохимической активации. Химия в интересах устойчивого развития 13, 2005. С. 351-358.

39. Martin Birgit, Wondraczek Lothar, Deubener Joachim, Yue Yuanzheng. Mechanically induced excess enthalpy in inorganic glasses. Applied Physics Letters, 2005, v.86, N12, pp. 1217-1219.

40. Wondraczek, Lothar; Behrens, Harald. Molar volume, excess enthalpy, and Prigogine-Defay ratio of some silicate glasses with different (P,T) histories. Journal of Chemical Physics, Volume 127, Issue 15, 2007, pp. 154503-154503-10.

41. N. X. Sun and K. Lu, Q. Jiang. Grain-boundary enthalpy of nanocrystalline materials crystallized from the amorphous state. Physical review, volume 56, number 10, 1 September 1997, pp. 5886-5889.

42. Ningthoujam R.S., Mishra R, Das D., Dey G.K., Kulshreshtha S.K. Excess enthalpy and luminescence studies of SnC>2 nanoparticles. J Nanosci Nanotechnol, 2008 Aug; 8(8):4176-80.

43. Urakaev F. K., Boldyrev V.V. Mechanism and Kinetics of Mechanochemical Processes in Comminuting Devices. 2. Applications of the Theory. Experiment// Powder Technology, v. 107. Issue 3, 2000, pp. 197-206.

44. Массалимов И.А., Сангалов Ю.А. Влияние механической активации кристаллических веществ ударными воздействиями на их физико-химические превращения // Химическая промышленность сегодня. 2004. №5. С. 11-20.

45. Массалимов И.А., Сангалов Ю.А. Влияние интенсивной механической обработки на разложение пероксида бария // Журн. прикладной химии. 2001. Т.74. №4. С.545-548.

46. Массалимов И.А. Моделирование процессов механическойактивации в измельчительных устройствах ударно-отражательного типа // Химическая промышленность сегодня. 2007. №9. С. 38-46.

47. Болдырев В.В., Аввакумов Е.Г. Механохимия твердых неорганических веществ. // Успехи химии, 1971, т.40, С. 1835-1856.

48. Болдырев В.В. Механохимия неорганических веществ. // Изв. СО АН СССР. Сер. хим. наук. №14. Вып.6. 1978. С. 3-11.

49. Гинье А. Рентгенография кристаллов. Теория и практика. М.: Госуд. изд-во физ. мат. лит-ры, 1961. 603 с.

50. Иверонова В.И., Ревкевич Г.Н. Теория рассеяния рентгеновских лучей. Изд. 2. М.: Издательство Московского государственного университета, 1978. 278 с.

51. Массалимов И.А. Влияние механической обработки на структуру и свойства хлорида натрия // Неорганические материалы. 2003. Т. 39, №. 11. С. 1-7.

52. Вольнов В.И. Перекисные соединения щёлочно-земельных металлов. М.: Наука, 1983. 134 с.

53. Н.Ф. Гладышев, Т.В. Гладышева, С.И. Дворецкий, С.Б. Путин, М.А. Ульянова, Ю.А. Ферапонтов. Регенеративные продукты нового поколения: технология и аппаратурное оформление: монография. // М.: Машиностроение-1, 2007. 156 с.

54. P.P. Насыров, Р. Р. Даминев. Метод переработки основного отхода производства кальцинированной соды. // Башкирский химический журнал. 2008. Том 15. № З.С. 95-100.

55. Бикбулатов И.Х., Насыров P.P., Даминев P.P., Бакиев А.Ю. Способ утилизации основного отхода производства кальцинированной соды // Нефтегазовое дело. 2007. С. 1-9.

56. Pitham С., Hennigs D., Wases R. // Int. J.Appl. Ceram. Technology. 2005, v. 2, N1, p. 1-14.

57. Dawber M., Rabe К. M., Scott J.F.// Rev. Mod. Phys. 2005, v. 77,1. N4, p. 1083-1130.

58. Uchino K. Ferroelectric devices, Marcell Dekker, New York, 2000.

59. Tuller H.L., Avrahami Y. Electroceramics. In "Encyclopedia of smarts Materials" edited by Scwartz M.M. John Wiley&Sons, New York, 2002.

60. Frey M.H., Payne D.A. Grain-size effect on structure and phase transformations for barium titanate // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. N5. pp. 3158-3168.

61. Hsing-I-Hsiang Effect of particle size of BaTi03 powder on the dielectric properties of BaTi03/polyvinylidene fluoride composites. Journal of Material Sciences 36 (2001)3809-3815.

62. Takeuchi T., Tabuchi M., Ado K., Honjo K., Nakamura O., Kageyama H., Suyama, Ontori N., Nagasava M. Grain size dependence of dielectric properties of ultrafine BaTi03 prepared by sol-crystal method.

63. Xiao-Hui Wang, Ren-Zheng Chen, Zhi-Lun Gui and Long-Tu Li The grain size effect on dielectric properties of BaTi03 based ceramics Materials Science and Engineering: B Volume 99, Issues 1-3, 25 May 2003, pp. 199-202.

64. Ciftci, E; Rahaman, MN; Shumsky, M Hydrothermal precipitation and characterization of nanocrystalline BaTi03 particles JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, Vol.36, №20 2001, pp. 4875-4882.

65. Mohammad Reza Mohammadi, A. Esmaeili Rad and D. J. Fray Water-based sol-gel nanocrystalline barium titanate: controlling the crystal structure and phase transformation by Ba:Ti atomic ratio.

66. Fan Guangneng, Huangpu Lixia and He Xueguang Synthesis of single-crystal BaTi03 nanoparticles via a one-step sol-precipitation route Journal of Crystal Growth Volume 279, Issues 3-4, 1 June 2005, pp. 489-493.

67. Un-Yeon Hwang, Hyung-Sang Park, Kee-Kahb Koo Low-Temperature Synthesis of Fully Crystallized Spherical BaTi03 Particles by the Gel-Sol Method Journal of the American Ceramic Society. 2004. Volume 87, Issue 12, pp. 2168-2174.

68. Yukio Sakabe, Yasuhisa Yamashita and Hiroshi Yamamoto Dielectric properties of nano-crystalline BaTi03 synthesized by micro-emulsion method Journal of the European Ceramic Society Volume 25, Issue 12, 2005, Pages 2739-2742 Elecroceramics IX.

69. J. M. McHale, P. C. Mclntyre, K. E. Sickafus, and N. V. Coppa Nanocrystalline BaTi03 from freeze-dried nitrate solutions J. Mater. Res., Vol. 11, No. 5, May 1996. pp. 1199-1209.

70. K S Martirosyan, D Nawarathna, J R Claycomb, J H Miller Jr and D Luss Complex dielectric behaviour during formation of BaTi03 by combustion synthesis. J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 1-6.

71. S. Gopalan, K. Mehta and A.V. Virkar, "Synthesis of Oxide

72. Perovskite Solid,Solutions Using the Molten Salt Method," J. Mater. Res., 11 8 1863-65 (1996).

73. Ristic M.M., Milosevic S.Dj, Mechanical Activation of Inorganic Materials, Monographs, Belgrade, (1998).

74. Stojanovic B.D., Jovalekic C, Vukotic V., Simoes A.Z.,.Varela J.A, Ferroelectric Properties of Mechanically Synthesized Nanosized Barium Titanate Ferroelectrics, 1563-5112, Volume 319, 2005, pp. 65 -73.

75. Xue Junmin, Wang John, and Wan Dongmei Nanosized Barium Titanate Powder by Mechanical Activation Journal of the American Ceramic Society Volume 83, Issue 1, January 2000, pp. 232-34,

76. U.Manzoor and D.K.Kim. Synthesis of Nano-sized Barium Titanate Powder by Solid-state Reaction between Barium Carbonate and Titania. J. Mater. Sei. Technol., Vol.23 No.5, 2007. P. 655-658.

77. V.P.Pavlovic, B.D.Stojanovic, V.B.Pavlovic, Z.Marinkovic-Stanojevic, Lj.Zivkovic, M.M.Ristic. Synthesis of BaTi03 from a Mechanically Activated BaC03-Ti02 System Science of Sintering, 40, 2008, pp. 21-26.

78. W. Chaisan, R. Yimnirun and S. Anant. Effect of vibro-milling time on phase formation and particle size of barium titanate nanopowders. Ceramics International Volume 35, Issue 1, January 2009, pp. 173-176.

79. A. K. Nath, Chongtham Jiten, K.Chandramani Singh Influence ofball milling parameters on the particle size of barium titanate nanocrystalline powders. Physica B 405, 2010, pp. 430-434.

80. C. Sasikumar. Energetics of mechanical activation application to ilmenite // Minerals Engineering, Volume 22, Issue 6, May 2009, pp. 572-574.

81. Shmuel Hayun, Tien B. Tran, Jie Lian, Antonio F. Fuentes, Alexandra Navrotsk. Energetics of stepwise disordering transformation in pyrochlores, RE2Ti207 (RE = Y, Gd and Dy). Acta Materialia 60, 2012, pp. 4303-4310.

82. M.V. Chaikina, S. Aman. Fracture, Grinding, Mechanical Activation and Synthesis Processes in Solids Under Mechanical Action Science of Sintering, 37 , 2005, pp. 93-105.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.