Ученые ТНЦ СО РАН создали математическую модель, которая поможет оптимизировать синтез сложных металлических соединений

Ученые Томского научного центра СО РАН Олег Лапшин и Оксана Иванова предложили математическую модель для исследования процессов двухстадийного механохимического синтеза неорганических веществ в режиме волнового горения. Этот результат, опубликованный в авторитетном журнале Powder Techology , позволит не только найти оптимальные режимы получения дорогостоящих композитов, но и существенно продвинуться в создании новой макрокинетической теории.

– Математические модели используются во многих областях научного знания, дополняя результаты экспериментов. Ранее другими научными коллективами уже создавались математические модели, описывающие процессы горения и синтез веществ из предварительно механоактивированных смесей, но они учитывали только очень ограниченное число параметров, – рассказывает, объясняя уникальность проведенной работы, Олег Лапшин, заведующий лабораторией математического моделирования физико-химических процессов в гетерогенных системах. – Нашему научному коллективу удалось построить сложную модель, которая комплексно описывает такие факторы влияния предварительной механообработки на механосинтез конечного продукта, как формирование межфазной поверхности, температуру процессов, образование различных дефектов, начальное механохимическое превращение, истирание инертного вещества с рабочих поверхностей механоактиватора.

Построение такой модели позволит существенно продвинуться вперед и в создании новой макрокинетической теории. По словам ученых, хоть методы предварительной механической обработки порошков и их дальнейший синтез в волне горения активно применяются уже давно, формирование теоретических основ научного знания в этой области сталкивалось с рядом трудностей. Во-первых, с природой изучаемого явления, требующей междисциплинарного подхода; во-вторых, с отсутствием точного и надежного инструментария и методик для непосредственного изучения химических реакций в условиях интенсивных динамических нагрузок.

С помощью новой макрокинетической теории, над которой работают исследователи ТНЦ СО РАН, удалось детально проследить, какое влияние на дальнейший синтез вещества в волне горения и качество конечного продукта оказывает предварительная механоактивация. Большое значение имеет выбор параметров измельчения исходной смеси: например, при непродолжительной механоактивации смесь может не загореться, а при слишком долгом измельчении будут образовываться побочные продукты, негативно влияющие на процесс синтеза вещества.

Также ученые предложили методы обратной задачи, которые позволяют найти величины кинетических констант, определяющих начальное механохимическое превращение и намол на стадии механической обработки. Расчет таких констант дает возможность определить неизменные для конкретной системы параметры, которые останутся таковыми при изменении других параметров (массы порошка, способа синтеза, выбор режима горения – волновой или тепловой взрыв). Это позволит упростить дальнейшее проведение экспериментов. С помощью математической модели и обратной задачи ученые спрогнозировали, как будет протекать двухстадийный механохимический синтеза силицида ниобия.

Широкий класс неорганических соединений, получаемых методом СВС (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза) применяется в медицине, авиационной и космической технике. Сначала сырье измельчают в специальной шаровой мельнице, а синтез нужного композита происходит в волне горения. Достоинствами такого метода получения материалов являются его экономичность и экологичность.