机械力化学及其发展趋势.docx

机械力化学及其发展趋势尹艳红朱应禄(江西理工大学材料与化学工程学院 , 江西 赣州 341000 )摘 要 机械力化学作为一门新兴的边缘学科 ,涉及到了固体力学 、表面化学 、应用化学 、粉体科学等多学科 。本文主要介绍了它的概念与发展进程 、作用机理 、应用领域及其表征 ,并指出了机械力化学的优缺点 ,探讨了机械力 化学今后的发展趋势 。关键词 机械力化学 ; 发展趋势文章编号 : 1671 - 3818 ( 2008 ) 06 - 0037 - 03中图分类号 : tq026. 9文献标识码 : am ec ha no c hem istry a nd its d evelo pm ent trendyin yanhong zhu yinglu( j iangxi u n ive rsity of sc ience and techno logy, schoo l of m a te ria l and chem istry, ganzhou 341000 , j iangxi)a b stra c t a s a em e rging d isc ip line, m echanochem istry is re la ted to the so lid m echan ic s, su rface chem 2 istry, app lied chem istry, powde r sc ience and so on. the concep t and deve lopm en t p roce ss, m echan ism , app lica tion s and cha rac te riza tion of m echanochem istry we re in troduced in th is a rtic le. the advan tage s and d isadvan tage s we re po in ted ou t, and the trend of deve lopm en t wa s a lso d iscu ssed.key word s m echanochem istry; deve lopm en t trend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 10 ev。而一般的热化学反应在温度高于 1 000 时的电子能量也不会超过 6 ev ,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 局部升温模型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 固态合成反应模型1 机械力化学的概念与发展进程机械力化学 (m echanochem istry)又称力化学 ,机械化学 。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 机械力化学的作用机理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 等离子区模型 1 - 2 当前 ,最为成功的 机械 力 化学 模型 应 该是 te2h ie ssen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 3 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 。作者简介 : 尹艳红 ( 1979 - ) ,女 ,助教 ,硕士 ,江西理工大学材料与化学工程学院 1 38 冶 金 丛 刊总第 178期表 1 机械力化学的发展进程如钛酸钙 、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 。 j u rczyk 4 - 5 研究了添加合金元素对机械力化学法制备 n d2fe2b /a2fe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 n d2fe2b 低得多 。3. 2 矿物和废物的处理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 +年代典型代表人机械力化学的发展1893 年l ea最早进行机械力化学实验首次提出 机械 力诱导 化学 反 应的机械化学的分支 , 并对机 械能和化 学能 之间的 联系 进 行了理论分析 进行机械 力化 学在无 机化 学 领域应用的实验对矿物研 磨过 程中机 械力 诱 发相变进行研究对机械力化学进行系统的研究 发表机械力化学反应 的论文 ,指出能观察到研磨过程中各种固态反应通过球磨 技术 即机械 合金 化 的方法制 备了 镍基和 铁基 氧 化物弥散强化超合金认为机械 力化 学是固 体颗 粒 在机 械 能 的 作 用 下 , 由 于 形 变 、缺陷和解离等而引起物质 在结构 、物理化学性质及化学 反应性等方面的变化系统地阐 述了 机械力 化学 的 原理 、工艺及应用成为制备 用传 统的熔 炼和 铸 造技术很 难甚 至不可 能制 备 的合金和化合物的有力用具20 世纪20 年代德国 o sywa ld20 世纪40 年代20 世纪50 年代1951 年c la rk and rovenc la rk and rovenpe te rs and c rem e r1962 年pe te rs20 世纪60 年代cuo 体系就可形成 cuso ,只要通过水洗就可将矿4物中的纯 cu 提取 出 来 。通 过球 磨 srso4 和 n aoh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、n i元素 。与传 统的方法相比 ,具有无污染和效率高的优点 。3. 3 金属纳米粒子的制备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1990 年a. i. juhaz1991 年k. tacova至今3 机械力化学的应用3. 1 无机材料的合成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 goum in 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 2 h 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 3 h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 ,弥散于无定形的 a lc 基体中 ,随后在 350 下加热13处理 ,形成了 - a o 粒子 ,弥散于 cac l 基体中 。12 32通过水洗去除 cac l , 得到的 a l o , 其 粒径 一般 是22 31020 nm , 在 1 200 下将其加热可以转变为 -a o 。12 33. 4 弥散强化材料的制备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 。 vo lke r a rnho ld 6 等人通 过 机械 力化 学 工艺 制备 出了含有 a l3 c4 、a l2 o3 纳米粒子的 a l2si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 机械力化学的表征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 7 - 9 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 。 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第 6期尹艳红等 : 机械力化学及其发展趋势 39 5. 1 机械力化学的优点( 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 机械力化学的缺点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 机械力化学的发展趋势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 ,有必要加强研究以进 一步提高对机械力化学的机理和本质的认识 ; 加强 对粉体表面的改性处理 。针对粉磨过程中出现的团 聚现象 ,在粉磨过程中添加表面活性剂 ;研制高效率 的机械力化学装置 , 加 速反 应进 程 , 提 高能 量利 用 率 ;加强创新表征理 论 、完 善表 征方 法 和更 新表 征 仪器 。表 2机械力化学效应的表征检测方法检测内容阿基米德原理测定粉体的松装密度用于半定量地分析粉体的晶粒尺寸 、 晶格畸变程度 ,也可分析结晶程度的 变化观察粉体物质在受力前后的颗粒大 小分布 、团聚状况以及结构变化用于测定粉体的粒度分布 ,比表面积 等 用于判断物质受力前后是否有变化 , 特别用于对含水物质的脱水过程和脱水程度的分析检测物质在受机械力化学作用前后 的键能和键的性质 ,从而推断所发生 的效应测定不同元素与氧的结合能 ,从而判 断系统中所发生的变化 ,它的测定精 度高 ,分辨率也高 , 而且可以 从物 体 表面纵向剥层作逐层分析 ,以确知变 化深度和程度测定物质中某一元素所处的状态x射线衍射法 ( xrd )电子显微分析法 ( sem )激光粒度分析法热分析技术 ( tg - d ta )红外光谱分析 ( ir )光电子能谱法 ( xpr )固体核磁共振谱 (nmr )参考文献 1 2 3 4 5 h e in icke g. tribochem istry. b e rlin: a cadem ic v e rlag, 1984 , 135 142.m ilo sevie. s, r istic m. m. thermodynam ic s and k ine tic s of m echan ica l ac tiva tion of m a te ria ls j . sc ience of sine ring, 1998 , 30: 29 38.席生岐 ,屈晓燕. 高能球磨固态扩散反映研究 j . 材料科学与工艺 , 2000 , 8 ( 3 ) : 88 - 91.卢希龙 ,卢迪芬 ,陈森凤 ,等. 机械力化学在纳米无机材料制备中的应用 j . 硅酸盐通报 , 2004 ( 4 ) : 66 - 67.ju rcayk, cook m , co lloco tt j s. a