机械力化学的多学科发展

机械力化学的多学科发展

1机械力学成分的交叉学科机械力化学（mechanochma）也被称为机械力化学。它是研究固体物质在受到机械力作用时,发生的一系列物理化学性质变化的一门新兴的交叉学科。它涉及到了固体力学、表面化学、应用化学、矿物加工和粉体科学等多学科、多领域。机械力化学的发展从本世纪初到如今,近一个世纪的发展进程详见表1。2机械力学性能的研究有关机械力化学的作用机理模型不少,但都是一些定性理论和半经验性模型,真正令人信服的机械力化学机理还有待进一步研究。以下重点介绍三种模型。2.1等离子体激发能量当前,最为成功的机械力化学模型应该是Tehiessen等人提出的“摩擦等离子区模型”。他们认为物质在受到高速冲击时,在一个极短的时间和极小的空间里,固体结构受到破坏,导致晶格松弛和结构裂解,释放出电子和离子,形成等离子区。高激发状态诱发的等离子体在瞬间产生的电子能量可以高达10eV。而一般的热化学反应在温度高于1000℃时的电子能量也不会超过6eV,因此机械力化学有可能诱发通常情况下热化学不能进行的反应,使得固体物质的热化学反应激活能降低,反应速度加快。2.2纳米尺度的热行为局部碰撞点的升温是机械力化学的一个重要机理。虽然对整个球磨筒体来说,引起的升温可能不是很高,但是在局部碰撞点中可能产生很高的温度,这些温度可能引起纳米尺度范围的热化学反应,在碰撞点处产生的高压会导致晶体缺陷的扩散和原子的局部重排。最终导致物质反映的平衡常数和反应速度常数显著增大。2.3固合成反应模型席生岐、屈晓燕等从扩散理论出发,分析了高能球磨过程中的扩散特点,提出了固态合成反应模型并进行分析计算。3机械力化学的应用3.1其他特种材料的制备关于机械力化学在无机材料制备中的应用,吴其胜等人曾做过较为详细的介绍,其主要的应用分为以下几个方面:3.1.1建筑材料的制备采用机械力化学方法可以显著降低材料的合成温度,如Goumin等人于室温下在行星式球磨机中粉磨氢氧化钙和硅胶的混合物,当Ca/Si比为1.5,水灰比在0.23~0.30的范围内时,球磨2h就得到了硅钙石;而当Ca/Si比为0.5~3,水灰比为0.80时,球磨3h可以得到雪硅钙石。而采用传统的建筑材料原料,如硅钙石和雪硅钙石的合成方法一般为水热法,这种方法需要很高的合成温度,能耗较大。另外,他们还通过机械力化学的方法大大降低了硅酸二钙的合成温度。3.1.2特种陶瓷粉末的制备采用机械力化学合成的特种陶瓷粉末,一般来说,烧结温度低、理论密度高,各种物理和化学性能达到或接近该种材料的理论值,且与传统的方法相比也存在着工艺简单,效率高,成本低等优点。所以有关这方面的研究一直都是国内外的一个研究热点。现在已经成功制备出多种特种陶瓷微细粉末,如钛酸钙、钛酸镁等。3.1.3合金材料的制备近年来,高能球磨实现机械合金化(MA)的方法引起了许多材料研究人员的重视。Jurczyk研究了添加合金元素对机械力化学法制备Nd-Fe-B/a-Fe双相纳米合金磁性能的影响。结果表明,合金中添加Zr元素能显著地提高材料的热稳定性,在20~140℃范围内其剩磁温度系数和矫顽力温度系数要比常规烧结Nd-Fe-B低得多。3.2cu的提取应用机械力化学活化矿物材料是机械力化学最早获得应用的技术领域之一。例如,球磨CuFeS2+CuO体系就可形成CuSO4,只要通过水洗就可将矿物中的纯Cu提取出来。通过球磨SrSO4和NaOH混合物可以形成Sr(OH)2。通过机械力化学技术成功地处理过的矿物有黄铁矿、砷黄铁矿、独居石、铝土矿等。利用机械力化学方法处理含铬废水液取得了很好的效果。机械力化学技术还被用于回收ITO玻璃中的In和锂离子电池中的Co、Ni元素。与传统的方法相比,具有无污染和效率高的优点。3.3纳米粒子的表征反应体系的原料粉末在球磨时形成的是纳米尺寸的复合结构。例如,球磨A1C13/CaO体系时获得了纳米复合结构的化合粉末。起初CaO纳米粒子弥散于无定形的AlC13基体中,随后在350℃下加热处理,形成了γ-A12O3粒子,弥散于CaCl2基体中。通过水洗去除CaCl2,得到的Al2O3,其粒径一般是10~20nm,在1200℃下将其加热可以转变为α-A12O3。3.4散可控强化材料采用机械力化学工艺可以制备出弥散相颗粒尺寸小、分散均匀、体积分散可控的弥散强化材料。VolkerArnhold等人通过机械力化学工艺制备出了含有Al3C4、Al2O3纳米粒子的Al-Si合金复合粉末,经过冷却等静压成形和挤压加工后制备出一些高温部件。4机械力化学的性能有关机械力化学效应的检测方法很多,概括起来见表2。5机械力化学的优缺点采用机械力化学法制备各种材料与传统的方法相比有许多突出的优点,但是作为一门新兴的边缘学科,它尚有许多亟待解决的问题。5.1平衡态的定义(1)与一般化学方法不同,用机械力化学法制备的材料可以远离平衡态,组成可控,并且可以在室温下进行。(2)机械力化学法制备纳米材料具有工艺简单,可采用常用化学原料,成本低,易于工业化等优点,是一种具有广阔应用前景的纳米材料制备方法。5.2机械力化学的应用就目前的研究现状来看,仍存在以下问题:(1)对机械力化学的机理和本质的认识还不足,没有形成系统的机械力化学理论体系。(2)通常作为机械力化学工艺研究的装置主要是普通的球磨机,作为此应用的其它装置比较少。在球磨过程中粉磨时间长,能耗大。还存在一个比较严重的污染问题。(3)所制备产品的尺寸不均匀,粉磨后期发生严重的团聚,很难做到分散。6机械力化学与粉体由于目前对机械力化学的应用研究还不够成熟,对于这一新兴的边缘学科