机械化学

机械化学（mechanochemistry）又称机械化学，是化学和力学的交叉，涉及分子、机械能与物质在超分子和块体材料水平上的相互作用是由力学现象触发的化学反应，其反应是一个复杂的物理和化学过程，因此也可视为一门交叉学科。该合成方法符合“绿色化学”原则。在强烈的机械活化作用下，超细粉碎过程中的材料在某些情况下直接发生化学反应。反应类型包括分解、气一固、液一固、固—固反应等。机械化学作用的机理是通过机械力的冲击使材料破碎、细化、随着比表面积的增加，形成了高密度位错，同时晶粒逐渐细化到纳米级，成为分散的超细颗粒，为原子的相互扩散提供了快速通道，并在固态下合成产物。影响机械作用强度的主要因素有：粉碎设备类型、机械力的作用方式、粉碎环境（干、湿、添加剂）机械力的作用时间粉末的粒度或比表面积等。机械化学主要用于矿物的活化和改性、无机材料的合成、纳米材料的制备和高分子材料的合成。

由于强机械活化作用，在某些情况下，超细研磨过程中材料会直接发生反应。反应类型包括分解、气一固、液一固、固—固反应等。

分解

碳酸盐：碳酸盐在机械研磨的作用下分解，例如在真空研磨机中研磨方解石、菱镁矿、文石和铁晶石及时分解二氧化碳。碳酸钠、碱土金属等碳酸盐在研磨过程中也会分解；在气流粉碎机粉碎过程中，还发现二氧化碳的形成和碳酸盐含量的降低。

有机化合物：当铝在乙醇中研磨时，破碎的活性铝颗粒与乙醇反应生成乙醇铝、与水反应生成 Al(OH) 和RDX炸药(RDX)颗粒直接吸附在铝表面的三种情况。Al颗粒在研磨过程中与乙醇和水的接触是随机的，但乙醇的比例远大于水，乙醇铝的比例最多。与在水中研磨不同，乙醇铝上的三个乙醇分子会在其周围形成一定的空间位阻效应，使得RDX炸药颗粒难以覆盖乙醇铝旁边的Al，但小分子水可能会进入它们之间的空隙，与Al反应生成Al(OH)₃ 。

自然界反应

河流的水作用力：河水本身是一种很好的溶剂如果自来水中有更多的CO，碳酸盐矿物尤其是石灰石的溶解将更加显著。流水分解岩石中的矿物质，使其结构松散，这有利于机械作用（流水从高到低流动，利用自身的重量和速度产生动能，冲击河底和两岸的岩石，因此岩石破裂，可以转移松散的物质）然而，溶解在河流中的物质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。

冰川运动：冰川运动侵蚀着地表、搬运、和堆积的作用。因自然风化而逐渐破碎的岩石和沙子是由冰川运动搬运而来的、机械力如沉积作用会重新压实并胶结形成新的岩石，如砂岩和页岩。

内营力地质作用：

地壳运动（主要由内力引起的地壳抬升、凹陷和形成各种结构形式的运动）岩浆活动（因为岩浆在地球深处它总是试图突破岩层的屏障，向低压方向流动，即产生岩浆活动）或者地壳中热流的变化，使地壳中有岩石(无论是岩浆岩、沉积岩或变质岩)的矿物成分、结构、结构发生了不同程度的变化。变质岩的矿物成分复杂，既有原始矿物，又有变质过程中产生的新成分。主要的变质岩是大理岩、石英岩、片岩、片麻岩、板岩等。

机械化学是将待合成的原料按一定比例机械混合，在高能球磨机等设备中长时间运行，将机械能传递给粉体，同时粉体在球磨介质的反复冲击下承受冲击、剪切、摩擦和压缩在各种力的作用下经历反复挤压、在冷焊和研磨过程中，原料和粉末的混合物在球磨过程中会形成高密度位错，同时晶粒会逐渐细化到纳米级，成为分散的超细颗粒，这为原子的相互扩散和固态合成产物提供了快速通道。当固体受到机械力时，（如研磨、冲击、加压等）发生的事情往往是各种现象的综合，大致可以分为以下两个阶段。

首先，粒子受到力的作用而破裂、细化、材料比表面积的增加。因此，晶体的结晶度下降，导致晶体结构中的缺陷和晶格位移，并且系统温度上升。这一阶段的自由能增加。

第二阶段自由能降低，因此系统的化学势能降低，微粉起团聚作用，比表面积减小，同时释放表面能，物质可能发生重结晶或机械化学效应。假设材料颗粒为球形，黑点表示激活点，激活点最初分布在表面，然后集中在局部区域，最后均匀分布在整体中。活化点可视为机械力化学的诱因。在应力作用下， 粒子的瞬时机械活性很高，但它是短暂的，下降很快。

影响机械活动强度的主要因素有：粉碎设备类型、机械力的作用方式、粉碎环境（干、湿、添加剂）机械力的作用时间粉末的粒度或比表面积等。

不同类型的破碎设备所测得的物料破碎后晶体结构变化的特征值不同。粉碎设备主要包括球磨机、振动磨机、搅拌磨机、辊压磨机、高速机械冲击磨等。例如，对于应时的粉碎，用高速机械冲击磨粉碎后的比表面积最小，用振动磨粉碎后的比表面积最大。

机械力的作用方式（如研磨、 摩擦、剪切、冲击、打击）等等也影响机械化学活化。例如，石墨晶体在空气中被冲击超细粉碎机粉碎，石墨晶体结构紊乱的菱形晶体偏离最大；当用研钵在空气中研磨时，石墨晶体结构缺陷的有效德拜参数最大；振动磨在氦气中研磨时，石墨的有效德拜参数和晶层的菱面体晶移最小。

研磨时间的长短也是影响机械化学效应强度的主要因素。机械能作用的时间越长，机械化学效应越强。

粉碎环境：如粘土矿物，湿磨可以提高粘土的塑性和干弯曲强度。相反，干磨在短时间内提高了材料的塑性和干弯曲强度，但在一定时间后，随着研磨时间的延长而降低。

在使用添加剂或表面改性剂的机械粉碎操作中，机械化学效应也与添加剂有关。例如，助磨剂可以改善物料的流动性，使物料连续通过磨机的速度明显提高。

矿物活化与改性：矿物的机械活化是指机械作用引起矿物的局部晶格畸变位错和晶格缺陷，从而导致晶格内能的增加、表面改性和增强的反应性。如果氧化锌和Al₂O₃ 在高速行星球磨机中一起研磨四个小时，一些材料将产生新的ZnAl₂O₄  相(尖晶石型构造)

机械化学

材料的合成：机械化学合成材料的合成温度和烧结温度可以显著降低、理论密度高，各项理化性能达到或接近材料的理论值，与传统方法相比，工艺简单效率高成本低、广泛用于特种陶瓷材料的制备。比如以Ti、Mo、W、以钽和石墨粉为原料，通过机械诱导自蔓延反应制备（Ti，Mo)C、Ti，W)C和（Ti，Ta)c固溶体粉末，作为陶瓷相的原料，与Ni混合制备金属陶瓷。

纳米材料制备：机械化学法制备纳米材料具有设备简单的优点、 产量高、价格比较低，适合纯金属、金属间化合物和金属-陶瓷复合材料和其他类型的纳米晶体材料。例如，使用这种方法，在室温下从氧化物粉末直接合成Zn铁氧体和NiZn铁氧体纳米晶体。以Li₂CO₃和α-以Fe₂O₃粉为原料，通过高能球磨制备前驱体，然后通过低温热处理制备纳米锂铁氧体。相关实验表明，这些纳米材料可以作为催化剂的活性组分，并可以通过物理方法分散在载体上。

高分子材料合成：机械化学在有机聚合物合成中的应用主要是聚合物聚合、聚合物缩合和聚合物在无机材料上的接枝。例如，在医药领域，各种苯并咪唑和苯并噻唑衍生物分别由芳香醛邻苯二胺和邻硫代苯胺通过机械化学方法合成通过筛选不同的反应条件，（包括液体添加剂和研磨时间的选择）获得了优异的产率。