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固相反应:打开通往新材料的大门
2017-02-17 11:40:23 作者:本网整理 来源:材料牛

  众所周知,材料在固相是很难相互发生反应的,但是固相反应相较其他反应方法而言又具有很多优势。固相反应就主要是利用机械力(如压力,剪力和拉力)对材料各组元成分的作用,促使反应发生的。

 

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  Ames实验室科学家、爱荷华州立大学的特聘教授Vitalij Pecharsky说:“由于固相反应中不需要溶剂来溶解反应物,因此可以避免从溶剂等反应的废弃物中引入有害物质;并且固相反应更有利于我们控制反应的方向;除此,由于大部分反应是在室温下进行的,因此有利于降低反应的所需要的激活能,并且反应产物在室温下能够保持亚稳态”。


  固相法独辟蹊径,为常规方法难以加工的材料提供了新途径。例如Pecharsky的球磨法实验。利用机械化学作用,使整个样品得到均匀混合—即使原料中一种成分占99.9%,而另一种只占0.1%。Pecharsky说:“固相法可以使两种物质充分分散,但融化法却很难均匀分散两种物质。”


  因为固相法不需要溶剂,大多情况下无需加热,具有相对较低的能量输入,所以固相法的成本也相对较低。在很多情况下,固相法在工业/商业值得应用的。


  机械化学球磨法


  顾名思义,球磨法是通过将金属球与原料放在封闭的球磨罐中,通过机械振动等作用促使化学反应发生,从而使不同的反应物反应生成复合物。Pecharsky认为由于金属球与球磨罐以及金属球之间的撞击,使原料得到研磨,将机械能转化为化学能从而驱动反应发生的。


  剪力、压力和拉力的共同作用使化合物中分子结构遭到破坏,表面化学键断裂,促进化学反应发生。而在一般情况下,是通过溶解破坏这些化学键的。


  Pecharsky课题组正在研究利用固相法加工金属氢化物,用来充当储氢介质。该课题组最近提出,可以用低温研磨球加工塑料或延展性好的材料。Pecharsky提到:“这些材料在室温下球磨会发生畸变,但化学键不会断裂,但通过液氮浴来降低温度,它们就会和大部分材料一样变得特别脆,易于加工。”


 
摩擦整合


  对Ames实验室来说,摩擦整合是一个崭新的领域,它利用高压力和高摩擦力来研磨、破碎反应物,促进新材料的生成。


  艾姆斯氏实验室科学家、ISU材料科学副教授Jun Cui说:“这是很容易理解的。我们将材料放在一个钢磨具中,利用旋转柱塞提供压力。旋转柱塞所产生的摩擦力在材料内部会产生剪应力。随着时间的推移,材料被加热、变软最终均匀流动。虽然表面上看起来是一个混乱无序的过程,但是其内部还是有一定秩序的。”


  这种工艺通常使用金属粉末。因为金属粉末的初始颗粒尺寸细小,所以容易合并。与球磨法类似,摩擦整合能够生成其他方法不能生成的微观结构。Jun Cui说:“例如,你可以将铜和碳纳米管一起反应,最终生成纳米复合材料。这种新材料的机械强度大于普通的铜材料,但导电性能不会降低;或者也可以制造一种耐腐蚀的镁-钛合金。”


  而这种合成的新材料,可以通过挤压或其他各种工业标准方法加工成型。


 
Gleeble 热机械系统


  另外一种Ames实验室的新设备:Gleeble系统。这个设备能够在实验室模拟很多商业材料加工工艺。最近,设备被安装在Laboratory's Metals Development 大楼,以便让研究员精确地控制铸、锻、烧和挤压等大量工艺过程,并探究在这个过程中材料内部到底发生了什么变化。


  Ames实验的科学家、爱荷华州立大学材料科学与工程专业的副教授Pete Collins指出:“它能够帮助我们进行精确地测量和监视复杂反应的物理模拟。与计算模拟截然相反,它们两个是相辅相成的。我们的计算模拟结果可以证明或推翻物理模拟的结果,同时物理模拟可以提示我们计算模型中需要考虑的物理变化。”


  Gleeble系统是Collins接受成为爱荷华州立大学教授启动协议中的一部分。由于该设备采用电阻加热法,需要在数秒内将试样温度迅速加热到熔化、铸造和焊接所需要的温度,因此其电力需求相当于两个或两个以上普通家庭所需要的用电功率。这是将这套设备安置在Ames实验室的一个主要原因。


  Collins说:“另一个原因是,从材料加工的观点出发,将Gleeble 热机械系统放在实验室与其他制造工具相邻,将使这套设备更加有意义,例如LENSTM(激光工程化净成形)3D打印设备,Gleeble将会成为具有高流通量能力的一系列设备中重要的组成部分。我们可以利用该系统快速测试通过LENSTM 3D打印的一系列合金试样。除此,我们现在不仅有能力去评价其他粉末固态成形技术,也可以利用它去模拟金属粉末在加压、加温的情况下是如何成型的,从而优化反应条件,得到最好的反应产物。”

 

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