1.3.1. Перспективы и направления использования технологии ударных волн

В химии ударного сжатия к настоящему времени можно выделить несколько перспективных направлений, представляющих интерес с точки зрения создания новых материалов с необычными свойствами:

- синтез метастабильных фаз, в том числе фаз высокого давления;

-  расширение областей гомогенности твердых растворов;

- получение необычных валентных состояний вещества;

- взаимодействие «несовместимых» компонентов, резко отличающихся по плавкости и летучести;

- достижение близкой к монокристаллической плотности образцов из трудноуплотняемых материалов;

- модифицирование свойств материалов, в том числе повышение их химической, адсорбционной и каталитической активности.

Многие результаты научных исследований уже нашли промышленное применение. Некоторые из областей успешного использования ударных волн представлены на рис. 1.1.

Энергия взрыва в настоящее время широко используется для упрочнения и сварки металлов, прессования порошковых металлических и керамических материалов. Предварительная обработка порошков ударной волной позволяет снизить температуру спекания керамических материалов при их горячем прессовании на несколько сотен градусов при одновременном увеличении плотности спеченных образцов и улучшении других характеристик.

 

 

Рис.1.1. Промышленное использование ударных волн

 

Воздействие ударных волн на твердофазные химические процессы. Ударная волна являются чрезвычайно эффективным инструментом для создания в твердом веществе высокой концентрации различного сорта дефектов. Остаточная дефектность, созданная ударной волной, резко повышает скорость  различных твердофазных химических реакций. При больших давлениях ударного сжатия эффективно протекают процессы разложения оксидов; таких реакций исследовано более 60. В условиях ударной волны осуществлен ряд интересных с точки зрения промышленного применения синтезов, включая получение сверхтвердых материалов.

Например, для получения цинкового феррита необходимо смесь оксидов ZnO + Fe2O3 выдерживать при 1000-13000С в течение 15-20 минут; при этом скорость синтеза зависит от способа получения исходного α-Fe2O3. При использовании ударной волны этот процесс протекает с высокой скоростью и полнотой и не зависит от качества сырья. В условиях ударного сжатия были получены силициды железа FeSi и FeSi2, а также твердый раствор марганца в вольфраме, несмотря на то, что температура кипения марганца (21500С) значительно ниже температуры плавления вольфрама (33800С).

Производство гетерогенных катализаторов. Совершенствование производства гетерогенных катализаторов неразрывно связано с интенсификацией твердофазных реакций и синтезом новых соединений с необычной структурой и составом, поэтому использование метода создания сверхвысоких давлений с одновременной термическим воздействием в режиме ударной волны позволяет достичь значительных результатов.

Одним из перспективных направлений использования ударных волн является синтез рыхлых структур в зоне отрицательного давления волны. Получаемые таким образом твердые пены с регулируемой концентрацией и топографией пор интересны с точки зрения использования их в качестве катализаторов с высокоразвитой поверхностью.

Увеличение концентрации дефектов при помощи ударной волны  может быть использовано для модификации поверхности и улучшения каталитических характеристик промышленных катализаторов. Так показано, что при ударном воздействии увеличивается каталитическая активность ацетиленовых углей в реакции разложения пероксида водорода,  на два- три порядка увеличивается активность TiO2 в процессах  окисления.

Процессы получения полимеров. Значительно меньше исследовано воздействие ударных волн на реакции с участием органических веществ. Наибольшие успехи достигнуты при изучении реакций полимеризации и поликонденсации.

Ударные волны вызывают и ускоряют процессы образования высокомолекулярных соединений из твердых мономеров, протекающие  как по радикальному, так и по ионному механизму. Иногда под действием ударной волны образуются полимеры из таких веществ, которые весьма трудно полимеризуются иными способами.

При воздействии ударной волны на полимеры часто происходит образование пространственной сетки, в результате чего изменяются свойства полимера. В некоторых случаях, наоборот, наблюдается исчезновение ориентации макромолекул в полимере, например, у полиэфирных волокон исчезает волокнистая структура без изменения геометрических размеров образца.

Следует отметить, что образование полимеров и все изменение в них возможны лишь при достижении некоторых пороговых значений давления ударной волны, зависящих от природы веществ, подвергающихся воздействию. Для каждой химической системы существуют определенные амплитуды ударных волн, при которых происходят процессы полимеризации мономеров, разрушение полимера или образование пространственной сетки (структурирование полимера). Например, при давлениях ниже 150 кбар, наблюдается деструкция натурального каучука, и молекулярный вес полимера уменьшается в несколько раз; если же амплитуда ударной волны превышает 150 кбар, в эластомере образуется практически сплошная пространственная сетка. Обнаруженная избирательность действия ударных волн может быть использована для увеличения селективности процессов получения и изменения свойств полимеров.