機械化學

機械化學（mechanochemistry）又稱機械化學，是化學和力學的交叉，涉及分子、機械能與物質(zhì)在超分子和塊體材料水平上的相互作用是由力學現(xiàn)象觸發(fā)的化學反應，其反應是一個復雜的物理和化學過程，因此也可視為一門交叉學科。該合成方法符合“綠色化學”原則。在強烈的機械活化作用下，超細粉碎過程中的材料在某些情況下直接發(fā)生化學反應。反應類型包括分解、氣一固、液一固、固—固反應等。機械化學作用的機理是通過機械力的沖擊使材料破碎、細化、隨著比表面積的增加，形成了高密度位錯，同時晶粒逐漸細化到納米級，成為分散的超細顆粒，為原子的相互擴散提供了快速通道，并在固態(tài)下合成產(chǎn)物。影響機械作用強度的主要因素有：粉碎設備類型、機械力的作用方式、粉碎環(huán)境（干、濕、添加劑）機械力的作用時間粉末的粒度或比表面積等。機械化學主要用于礦物的活化和改性、無機材料的合成、納米材料的制備和高分子材料的合成。

由于強機械活化作用，在某些情況下，超細研磨過程中材料會直接發(fā)生反應。反應類型包括分解、氣一固、液一固、固—固反應等。

分解

碳酸鹽：碳酸鹽在機械研磨的作用下分解，例如在真空研磨機中研磨方解石、菱鎂礦、文石和鐵晶石及時分解二氧化碳。碳酸鈉、堿土金屬等碳酸鹽在研磨過程中也會分解；在氣流粉碎機粉碎過程中，還發(fā)現(xiàn)二氧化碳的形成和碳酸鹽含量的降低。

有機化合物：當鋁在乙醇中研磨時，破碎的活性鋁顆粒與乙醇反應生成乙醇鋁、與水反應生成 Al(OH) 和RDX炸藥(RDX)顆粒直接吸附在鋁表面的三種情況。Al顆粒在研磨過程中與乙醇和水的接觸是隨機的，但乙醇的比例遠大于水，乙醇鋁的比例最多。與在水中研磨不同，乙醇鋁上的三個乙醇分子會在其周圍形成一定的空間位阻效應，使得RDX炸藥顆粒難以覆蓋乙醇鋁旁邊的Al，但小分子水可能會進入它們之間的空隙，與Al反應生成Al(OH)? 。

自然界反應

河流的水作用力：河水本身是一種很好的溶劑如果自來水中有更多的CO，碳酸鹽礦物尤其是石灰石的溶解將更加顯著。流水分解巖石中的礦物質(zhì)，使其結構松散，這有利于機械作用（流水從高到低流動，利用自身的重量和速度產(chǎn)生動能，沖擊河底和兩岸的巖石，因此巖石破裂，可以轉(zhuǎn)移松散的物質(zhì)）然而，溶解在河流中的物質(zhì)有一小部分被地表水溶解，大部分被地下水溶解，然后流入地表河流。

冰川運動：冰川運動侵蝕著地表、搬運、和堆積的作用。因自然風化而逐漸破碎的巖石和沙子是由冰川運動搬運而來的、機械力如沉積作用會重新壓實并膠結形成新的巖石，如砂巖和頁巖。

內(nèi)營力地質(zhì)作用：

地殼運動（主要由內(nèi)力引起的地殼抬升、凹陷和形成各種結構形式的運動）巖漿活動（因為巖漿在地球深處它總是試圖突破巖層的屏障，向低壓方向流動，即產(chǎn)生巖漿活動）或者地殼中熱流的變化，使地殼中有巖石(無論是巖漿巖、沉積巖或變質(zhì)巖)的礦物成分、結構、結構發(fā)生了不同程度的變化。變質(zhì)巖的礦物成分復雜，既有原始礦物，又有變質(zhì)過程中產(chǎn)生的新成分。主要的變質(zhì)巖是大理巖、石英巖、片巖、片麻巖、板巖等。

機械化學是將待合成的原料按一定比例機械混合，在高能球磨機等設備中長時間運行，將機械能傳遞給粉體，同時粉體在球磨介質(zhì)的反復沖擊下承受沖擊、剪切、摩擦和壓縮在各種力的作用下經(jīng)歷反復擠壓、在冷焊和研磨過程中，原料和粉末的混合物在球磨過程中會形成高密度位錯，同時晶粒會逐漸細化到納米級，成為分散的超細顆粒，這為原子的相互擴散和固態(tài)合成產(chǎn)物提供了快速通道。當固體受到機械力時，（如研磨、沖擊、加壓等）發(fā)生的事情往往是各種現(xiàn)象的綜合，大致可以分為以下兩個階段。

首先，粒子受到力的作用而破裂、細化、材料比表面積的增加。因此，晶體的結晶度下降，導致晶體結構中的缺陷和晶格位移，并且系統(tǒng)溫度上升。這一階段的自由能增加。

第二階段自由能降低，因此系統(tǒng)的化學勢能降低，微粉起團聚作用，比表面積減小，同時釋放表面能，物質(zhì)可能發(fā)生重結晶或機械化學效應。假設材料顆粒為球形，黑點表示激活點，激活點最初分布在表面，然后集中在局部區(qū)域，最后均勻分布在整體中?；罨c可視為機械力化學的誘因。在應力作用下， 粒子的瞬時機械活性很高，但它是短暫的，下降很快。

影響機械活動強度的主要因素有：粉碎設備類型、機械力的作用方式、粉碎環(huán)境（干、濕、添加劑）機械力的作用時間粉末的粒度或比表面積等。

不同類型的破碎設備所測得的物料破碎后晶體結構變化的特征值不同。粉碎設備主要包括球磨機、振動磨機、攪拌磨機、輥壓磨機、高速機械沖擊磨等。例如，對于應時的粉碎，用高速機械沖擊磨粉碎后的比表面積最小，用振動磨粉碎后的比表面積最大。

機械力的作用方式（如研磨、 摩擦、剪切、沖擊、打擊）等等也影響機械化學活化。例如，石墨晶體在空氣中被沖擊超細粉碎機粉碎，石墨晶體結構紊亂的菱形晶體偏離最大；當用研缽在空氣中研磨時，石墨晶體結構缺陷的有效德拜參數(shù)最大；振動磨在氦氣中研磨時，石墨的有效德拜參數(shù)和晶層的菱面體晶移最小。

研磨時間的長短也是影響機械化學效應強度的主要因素。機械能作用的時間越長，機械化學效應越強。

粉碎環(huán)境：如粘土礦物，濕磨可以提高粘土的塑性和干彎曲強度。相反，干磨在短時間內(nèi)提高了材料的塑性和干彎曲強度，但在一定時間后，隨著研磨時間的延長而降低。

在使用添加劑或表面改性劑的機械粉碎操作中，機械化學效應也與添加劑有關。例如，助磨劑可以改善物料的流動性，使物料連續(xù)通過磨機的速度明顯提高。

礦物活化與改性：礦物的機械活化是指機械作用引起礦物的局部晶格畸變位錯和晶格缺陷，從而導致晶格內(nèi)能的增加、表面改性和增強的反應性。如果氧化鋅和Al?O? 在高速行星球磨機中一起研磨四個小時，一些材料將產(chǎn)生新的ZnAl?O?  相(尖晶石型構造)

機械化學

材料的合成：機械化學合成材料的合成溫度和燒結溫度可以顯著降低、理論密度高，各項理化性能達到或接近材料的理論值，與傳統(tǒng)方法相比，工藝簡單效率高成本低、廣泛用于特種陶瓷材料的制備。比如以Ti、Mo、W、以鉭和石墨粉為原料，通過機械誘導自蔓延反應制備（Ti，Mo)C、Ti，W)C和（Ti，Ta)c固溶體粉末，作為陶瓷相的原料，與Ni混合制備金屬陶瓷。

納米材料制備：機械化學法制備納米材料具有設備簡單的優(yōu)點、 產(chǎn)量高、價格比較低，適合純金屬、金屬間化合物和金屬-陶瓷復合材料和其他類型的納米晶體材料。例如，使用這種方法，在室溫下從氧化物粉末直接合成Zn鐵氧體和NiZn鐵氧體納米晶體。以Li?CO?和α-以Fe?O?粉為原料，通過高能球磨制備前驅(qū)體，然后通過低溫熱處理制備納米鋰鐵氧體。相關實驗表明，這些納米材料可以作為催化劑的活性組分，并可以通過物理方法分散在載體上。

高分子材料合成：機械化學在有機聚合物合成中的應用主要是聚合物聚合、聚合物縮合和聚合物在無機材料上的接枝。例如，在醫(yī)藥領域，各種苯并咪唑和苯并噻唑衍生物分別由芳香醛鄰苯二胺和鄰硫代苯胺通過機械化學方法合成通過篩選不同的反應條件，（包括液體添加劑和研磨時間的選擇）獲得了優(yōu)異的產(chǎn)率。