Структурная макрокинетика высокотемпературных процессов, имеющих важное значение для создания перспективных технологий и материалов

Развитие многих критически важных отраслей науки, техники и производства, таких как энергетика, создание новых материалов, транспорт, аэрокосмические технологии, военная техника, пиротехника, безопасность промышленных и горнодобывающих производств и другие, требует глубокого фундаментального понимания сложных механизмов высокотемпературных физико-химических превращений. Для комплексного решения этой проблемы в трудах выдающихся российских ученых академика Н.Н. Семенова, профессора Д.А. Франк-Каменецкого, академика А.Г. Мержанова и других были заложены основы общей и структурной макрокинетики как нового научно-технологического направления химической физики и науки о материалах. Одним из ведущих научных центров, где продолжается развитие этого направления, является Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А.Г.Мержанова РАН. Исследования с использованием парадигмы структурной макрокинетики проводятся во многих отечественных и зарубежных научных центрах и университетах (в англоязычной литературе термин «macrokinetics» используется реже, а исследования в данной области относят обычно к областям «chemical engineering», «thermodynamics», «processes of heat and mass transport», что не меняет ни существа исследуемых явлений и процессов, ни методологии исследований). Сущность структурной макрокинетики состоит в исследовании взаимосогласованных процессов химической реакции (как правило, высокотемпературной), тепло- и массопереноса, с одновременной трансформацией структуры реагирующей среды и структурообразованием конденсированных продуктов. Необходимость такого подхода объясняется тем, что микроструктура и кристаллическая структура реагирующей среды оказывают определяющее влияние на кинетику протекающих в ней химических реакций, а высокотемпературные химические процессы, в свою очередь, влияют на эту среду, вызывая в ней различные фазовые и структурные превращения. Для исследования таких взаимообусловленных процессов необходим комплексный подход, сочетающий методы химической кинетики, теории и практики горения, экспериментальную диагностику температурных полей и теплообмена, современные методы исследования структуры материалов, в том числе динамические (in situ) методики. Основными объектами исследования являются процессы горения различной природы, протекающие в гетерогенной среде, включая процессы «твердопламенного» горения порошковых смесевых составов, зажигание и горение газовых смесей при их взаимодействии с конденсированными средами и твердыми телами, фильтрационное горение в пористых средах, горение систем «золь-гель». Исследования структурных превращений в различных реакционноспособных средах под действием высокотемпературных процессов не химической природы (плазма, электромагнитные поля, нагрев электрическим током, электрические разряды и дуги, механические воздействия, интенсивное световое излучение и т.д.), также являются объектами изучения структурной макрокинетики. В зависимости от конкретной решаемой задачи первоочередную актуальность приобретают разные аспекты данной проблемы. Например, для использования горения в синтезе материалов первоочередное значение имеет прогнозирование и получение целевых продуктов с заданным фазовым составом и структурой; для пиротехнических применений основным является достижение заданных управляемых скоростей и температур горения, исследования взаимодействия газовых пламен с твердыми объектами нацелены на безопасность технологических процессов, получение новых материалов методами механосинтеза в планетарных мельницах требует фундаментального изучения процессов тепло- и массопереноса при механическом сплавлении. Теоретическое и экспериментальное исследование методами общей и структурной макрокинетики механизмов высокотемпературных физико-химических процессов имеет ключевое значение для создания перспективных технологий и материалов. Отличительной особенностью структурно-макрокинетического подхода является комплексный анализ физико-химических превращений на всех структурных уровнях, от атомного до макроскопического, в их взаимосвязи. Данная цель предполагает создание новых и развитие существующих методов теоретического моделирования и экспериментальной диагностики сложных процессов, охватывающих: (1) кинетику элементарных актов физико-химических превращений в газах, расплавах и твердых телах на атомно-молекулярном уровне; (2) макрокинетику коллективных процессов диффузии, конвекции, рекристаллизации, кондуктивного и конвективного теплопереноса; (3) структурную макрокинетику фазовых переходов, эволюции кристаллической структуры реагирующей среды и формирования структуры продуктов реакции. В рамках данного подхода ставится цель - получить новые фундаментальные знания о процессах безгазового, фильтрационного и газопламенного горения («твердое пламя», гибридные системы «твердое-газ», системы «золь-гель» на основе водных растворов, реакционные газовые смеси), процессах реакционного механического сплавления и механосинтеза, которые найдут применение для создания технологий синтеза новых материалов, управления горением в различных устройствах в области энергетики, транспорта, аэрокосмической техники, для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности различных производств.