CC BY
4
УДК 546; 542.86(87); 537.8; 54.057
Кузнецов М.В.,
доктор химических наук, главный научный сотрудник,
Сорокина И.В., старший научный сотрудник, ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), г. Москва, РФ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К УПРАВЛЕНИЮ ПРОЦЕССАМИ СИНТЕЗА И СВОЙСТВАМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ
Аннотация
Предложены новые технологические подходы к управлению процессами получения неорганических материалов в высокотемпературных процессах, основанные на электрохимических и электрофизических воздействиях. Обсуждаются различные функциональные характеристики синтезированных материалов применительно к их использованию в конкретных практических условиях, в том числе для нужд МЧС России.
Ключевые слова:
процессы горения, неорганические материалы, физико-химические воздействия, электрохимические и
электрофизические подходы, функциональные характеристики, практическое использование.
Использование функциональных неорганических материалов для решения различных практических задач накладывает серьёзные ограничения на то, какими структурными и физико-химическими характеристиками должно обладать то или иное соединение. Управление функциональными характеристиками синтезируемого материала, рассчитанного на применение в той или иной, часто узко специализированной, отрасли науки и промышленности, является нетривиальной и достаточно важной научно-технической задачей. В ряде случаев эта задача может быть решена с использованием чисто химических подходов, связанных с допированием, с изовалентным или неизовалентным замещением одного из элементов базовой структуры материала, с химической (газовой, кислотной, изотопной и т.п.) обработкой синтезированных материалов и т.д. Однако при решении прецизионных материаловедческих задач зачастую требуется применение более тонких механизмов регулирования их свойств. Такими механизмами, как непосредственно при протекании процессов синтеза материалов горением, так и на стадии их пост-синтетической обработки могут стать электрические, магнитные, звуковые и др. поля различной природы [1-3].
Большое внимание привлекают к себе новые аспекты гетерогенного горения, открывающиеся в последнее время при изучении тонкой структуры волны горения, в частности, существование в ней электрически заряженных частиц. В результате химического взаимодействия происходит процесс обмена электронами между атомами исходных компонентов. Часть ионов как исходных, так и промежуточных веществ при этом может становиться свободной, а величина заряда диффундирующего иона в таком случае пропорциональна степени окисления элементов в каждом из компонентов химической реакции. Способы изменения плотности заряженных частиц во фронте волны горения могут быть различными. Статические электрические поля могут действовать на динамический концентрационный элемент, двигая его границы неодинаковым образом по характерным зонам волны горения, что может привести к определенным изменениям в основных параметрах волны горения. В статических магнитных полях векторной природы, в первую очередь, существенна перегруппировка гранул исходных и промежуточных продуктов, которые определяют уровень гетерогенности шихты на всех стадиях процесса. В то же время важно влияние магнитного поля на локальные траектории движения заряженных частиц (особенно большой массы), что
может обеспечить значительные изменения в характере химического взаимодействия. В результате применения статических электрических и магнитных полей на стадии охлаждения в принципе можно получать устойчивые доменные структуры с соответствующей спонтанной поляризацией и/или намагниченностью, что весьма важно для практических применений.
В электромагнитном поле различной частоты весьма важны релаксационные и поверхностные эффекты. Регулируя частоту приложенного поля, можно проводить послойный прогрев реагирующего материала, что особенно интересно при синтезе функциональных градиентных материалов. В условиях СВС при внешних СВЧ-воздействиях практически всегда будет иметь место приповерхностный разогрев, в особенности, для смесей металлических порошков. В частном электромагнитного воздействия при лазерном облучении (за счет поверхностного нагрева пленок и тонких слоев) наблюдается лазерная активация процесса, приводящая к получению новых типов композиционных материалов. В качестве перспективного подхода следует также отметить модуляцию статического электрического или магнитного поля переменными полями для воздействия на различные части системы, как хорошо проводящие, так и диэлектрические, с целью увеличения подвижности необходимых носителей заряда. Это один из возможных примеров электронного управления СВС-процессами. Интересно также исследование комбинации электромагнитного воздействия с ультразвуком и/или гравитацией, а также одновременное комбинирование нескольких типов электрофизических воздействий или статических электрических и магнитных полей заданной конфигурации.
С фундаментальной точки зрения представляется весьма интересным установить, что может происходить с СВС-системами в условиях различных внешних воздействий и какова ожидаемая эффективность их применения. При СВС, скорее всего, следует ожидать изменения локального фазового состояния, за счет изменения мезомасштаба системы в процессе синтеза. На границе между реагирующими фазами масштаб характерных изменений будет наиболее сильным из-за более высокой активности атомов в поверхностных слоях. Вообще говоря, эффективность физических воздействий на процесс СВС, по-видимому, будет зависеть от многих факторов, и в частности от агрегатного состояния реагирующих веществ на всех стадиях процесса гетерогенного горения. Управление СВС-процессом в газофазных, жидкофазных и твердофазных системах будет иметь разный эффект, в первую очередь из-за различия в плотностях носителей электрического заряда в этих средах и специфики носителей. Вполне возможно, например, облегчение капиллярного растекания жидких фаз с помощью электрокапиллярных эффектов, возникающих в электрическом поле, или дополнительная хемионизация некоторых реагирующих газов. В случае правильной организации электрохимической цепи можно также повысить роль электродов-активаторов для электрохимического управления СВС-процессами. При наличии расплавов, кроме того, можно подобрать компоненты СВС-системы таким образом, чтобы получить максимальную степень их диссоциации и тем самым увеличить степень токового регулирования процесса, и даже изменять маршруты реакции для получения необходимых продуктов синтеза или их комбинации. Таким образом, различных вариантов применения электрофизических и электрохимических приемов для управления СВС-процессами может быть достаточно большое количество в зависимости от задач получения конкретных функциональных неорганических материалов с заданными свойствами, перспективными в том числе и с точки зрения решения практических задач, стоящих перед МЧС России.
Список использованной литературы:
1. Морозов Ю.Г., Кузнецов М.В., Нерсесян М.Д., Мержанов А.Г., Электрохимические явления в процессах СВС, Доклады Академии Наук, 1996, т.351, №6, с.780-782
2. Морозов Ю.Г., Кузнецов М.В., Бусурин С.М., Физико-химические основы электронной технологии СВС-процессов, Техника машиностроения, 2003, №1(41), ^81-85.
3. Бусурин С.М., Морозов Ю.Г., Кузнецов М.В., Бахтамов С.Г., Чернега М.Л., Влияние электростатического поля на процесс СВС феррита марганца, Физика горения и взрыва, 2005, т.41, №4, с.67-72.
© Кузнецов М.В., Сорокина И.В., 2022
