научная статья по теме К ПРОБЛЕМЕ РАЗРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «К ПРОБЛЕМЕ РАЗРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 4, с. 415-425

УДК 66.011

К ПРОБЛЕМЕ РАЗРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ © 2015 г. И. В. Мелихов, Е. Ф. Симонов,

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова melikhov@radio.chem.msu.ru Поступила в редакцию 22.12.2014 г.

Сформулирована мезокинетическая модель передела сырьевого вещества в материал в системе аппаратов, в каждом из которых вещество подвергается механическим, термическим или химическим воздействиям. Вводится представление о частотных функциях, характеризующих темп изменения функции распределения частиц вещества по состояниям в каждом аппарате. Рассмотрен вопрос об использовании модели при разработке технологии, обеспечивающей максимальный вклад каждого аппарата в превращение вещества в материал. Показано, что при разработке технологии материалов необходимо учитывать, что во многих системах функция распределения частиц по размерам изменяется в соответствии с уравнением Фоккера—Планка.

В. Е. Божевольнов

Ключевые слова: функциональный материал, оптимальная технология, иерархические структуры, мезокинетическая модель, функция распределения, уравнение Фоккера—Планка.

БО1: 10.7868/80040357115040090

ВВЕДЕНИЕ

Создание новых материалов — необходимое условие развития нашей цивилизации. Согласно базе данных Scopus, за последние 20 лет созданию новых материалов посвящено около 3 млн научных статей и патентов, относящихся ко всем направлениям деятельности человека. Из них 50% патентов относится к разработке и модифицированию материалов для новой техники, 40% для медицины и 10% для снижения энергоемкости и увеличения экологической безопасности действующих производств. Судя по содержанию статей и патентов, все чаще разрабатывают материалы, которые могут длительно сохранять свойства в широком интервале варьирования условий использования, синхронно следовать за изменением этих условий или селективно изменять одно из свойств с возможно большей чувствительностью при варьировании условий [1—3]. Разработка оптимальной технологии таких материалов, предполагающей прецизионное управление условиями их получения, при принятом сейчас эмпирическом подходе к поиску оптимальных условий столь затратна, что назрела потребность в переходе от эмпирического поиска к использованию теории превращения природного и техногенного сырья в материалы [4—6]. Фрагменты такой теории разработаны применительно к отдельным стадиям превращения сырья в материал с использованием представлений термодинамики и макрокинетики [7—9], мезокинетики и молекулярной механики [10—13], а также квантовой химии [14].

Однако разработанные теоретические модели относятся к простейшим системам и нет возможности встроить их в общую теорию создания материала без модифицирования [15, 16]. При этом общая теория пока не может быть разработана "ab initio", так что целесообразно развить полуэмпирическую теорию, обобщающую созданные теоретические модели, дополнив их экспериментальными данными о явлениях и процессах, приводящих к созданию материала. Такие данные в последнее время интенсивно накапливали, на что указывает число научных статей о материалах, опубликованных в течение последних 20 лет, причем в большинстве статей содержались результаты измерений, необходимые для создания новых материалов, что следует из соизмеримости количества опубликованных статей и патентов (рис. 1).

Данные на рис. 1 свидетельствуют о том, что вначале текущего века "поток" статей и патентов о материалах возрос в 5 раз, причем отношение количества статей к количеству патентов, характеризующее информационную обеспеченность попыток совершенствования материалов, снизилось от 1.0 до 0.94. При этом результаты опытов, описанных в трех миллионах статей и патентов, оказались трудно сопоставимыми при крайне ограниченной возможности их включения в общую количественную модель превращения сырья в материал. Вместе с тем содержание этих публикаций указывает на совершенствование методологии создания материала, предполагающей разработку комплекса моделей всех стадий превращения

4

415

Рис. 1. Число научных статей (1) и патентов (2) о получении и использовании новых материалов, опубликованных в течение последних 20 лет (по базе данных Scopus).

сырья в полезное вещество и модифицирования этого вещества в соответствии с условиями его использования. Указывается также на совершенствование комплекса методов экспериментальной верификации моделей и способов отбора маршрутов воздействия на сырье, обеспечивающих минимальные затраты на производство материала [17—20].

В данной статье рассмотрены подходы к детализации указанного комплекса моделей.

ПРАКТИКА ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На практике поиск оптимальной технологии любого продукта осуществляли по способу, предполагающему трехэтапное проведение работ. На первом этапе развивали идею создания продукта и формулировали априорную модель его получения, включающую ряд виртуальных вариантов проведения работ, выбранных по аналогии с другими веществами. На втором этапе в аппаратах малого объема реализовывали виртуальные варианты и отбирали из них наименее затратные. Второй этап завершали обобщением экспериментальных данных о реализации вариантов в виде апостериорной модели создания продукта, позволяющей осуществлять компьютерный отбор оптимальных режимов работы малых аппаратов. На третьем этапе проводили масштабный переход к промышленным аппаратам, оптимизированным на основе апостериорной модели.

Применительно к созданию новых материалов такой способ (его можно назвать аналогово-ком-бинаторным), как правило, использовали в сокращенной форме [21—26], в результате чего априорные модели указывали на чрезмерно широкие интервалы условий, в которых можно было

ожидать появления оптимальных маршрутов превращения сырья в материал. Широкие интервалы не удавалось исследовать полностью и приходилось ограничиться малыми их участками, в которых виртуальные варианты реализовывали без особых затрат. Результаты реализации вносили в апостериорную модель каждого аппарата, которая позволяла выявить оптимальный режим его работы, но только в узком интервале условий реализации [27—37].

В последнее время поиск оптимальной технологии усложнился из-за увеличения числа свойств, которыми должен обладать материал, и сокращением времени, которое отводится на его создание [38—40]. Сейчас частицы каждого нового материала требуется охарактеризовать не только химическим и фазовым составом, площадью и рельефом их поверхности, но и числом структурных дефектов и нескомпенсированных зарядов в их объеме и на поверхности. Однако теория изменения этих параметров при образовании и модифицировании твердых веществ пока не разработана настолько, чтобы предсказать, в каких условиях нужно синтезировать новый материал с заданными свойствами. Приходится пользоваться информацией, которая содержится в патентах, связанных с аналогичными материалами. Однако эта информация оказывается недостаточной, так что оптимальный маршрут создания каждого нового материала приходится искать практически заново.

МНОГООБРАЗИЕ МАРШРУТОВ СОЗДАНИЯ МАТЕРИАЛА

В результате экспериментальных работ выявлена возможность в широких пределах изменять свойства твердых веществ путем механических и термических воздействий, путем химической обработки и под влиянием внешних полей. В частности, были выявлены возможности эффективно модифицировать вещество, изменяя условия растворения и роста его частиц, сорбции примесей и топохимических процессов на поверхности этих частиц, т.е. путем химического модифицирования вещества [41—46]. Были найдены условия оптимального модифицирования вещества в температурных, акустических и электромагнитных полях, а также при механическом нагружении и воздействии плазмы [47—52]. Исследованы явления при комбинированных химических, тепловых, механических и электромагнитных воздействиях при разной последовательности воздействий, т.е. разных маршрутах модифицирования [53—60]. Рассмотрены маршруты гранулирования, прессования, спекания и керамизации при термических и механических воздействиях, реализуемых как в специализированных аппаратах, так и в устройствах для комбинированных воздействий [29, 61—64]. Схема одного из комплексов

маршрутов модифицирования приведена на рис. 2, где представлены кристаллизация, золь-гель процесс и образование керамики.

Реализация указанных маршрутов привела к множеству разнообразных технологий материалов, основанных на использовании аппаратов разной конструкции. Например, к созданию материалов на основе фторида кальция CaF2 привлекались аппараты с мешалкой, мельницы, распылительные сушилки, эмульгаторы и генераторы аэрозолей [65—68]. При этом в качестве реагентов использовали твердые соли кальция, их растворы в воде, этаноле и жидком аммиаке, а синтез проводили в струях раскаленного газа, в акустических и электростатических полях, при высоких давлениях и температурах. В результате этого удалось получить порошкообразные фто-ридные материалы со средним размером частиц от 5 нм до 10 мкм, удельной поверхностью от 0.5 до 500 м2/г и формой частиц от сфероидной и полиэдрической до полых сфер. Однако закономерности протекания явлений, которые привели к указанным материалам, оказались изученными только на полуколичественном уровне детализации, что затрудняет использование информации о данных явлениях для разработки теории создания нового материала. Недостаток информации о явлениях характерен для большинства работ по получению материалов. В течение последних 20 лет экспериментаторы были вынуждены ограничиваться столь узкими интервалами варьирования условий синтеза, что трудно установить, в какой мере полученные ими данные применимы для описания поведения изученных веществ в других условиях. Наука о создании материалов превратилась в множество частных закономерностей, которые пока не удается обобщить в виде общей модели создания материала.

ПОДХОД К ОБЩЕЙ МОДЕЛИ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВА В МАТЕРИАЛ

Основой модели превращения сырья в материал служат модели, обобщающие экспериментальные данные о законо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком