УДК 620:614.842

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС В ВОЛНЕ ГОРЕНИЯ СВ-СИНТЕЗА ОКСИДНЫХ БРОНЗ С ВЫСОКИМ ФОТОТЕРМИЧЕСКИМ ЭФФЕКТОМ

Гуляев Павел Юрьевич
Югорский государственный университет
доктор технических наук, заведующий кафедрой физико-химии процессов и материалов

Аннотация
В процессе получения новых биофункциональных материалов на основе сложных оксидов металлов и оксидных бронз методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза был обнаружен феномен теплового гистерезиса скорости волны горения от температуры синтеза. В работе показана методика проведения эксперимента и основные статистические данные о нелинейной корреляции скорости и температуры . Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-42-00106.

Ключевые слова: биофункциональные материалы, гистерезис, микропирометрия, оксидные бронзы, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, скорость горения


TEMPERATURE HYSTERESIS IN THE COMBUSTION WAVE SHS SYNTHESIS OF OXIDE BRONZE WITH HIGH PHOTOTHERMAL EFFECT

Gulyaev Pavel Yurevich
Ugra State University
Dr.Technical Sciences, head of the department of physical chemistry processes and materials

Abstract
In the process of obtaining new functional materials based on complex metal oxides and oxide bronzes by SHS it was discovered the phenomenon of thermal hysteresis wave velocity combustion temperature synthesis. The paper prokazana experimental technique and the basic statistical data on nonlinear korrelyatsiiskorosti and temperature. The study was supported by RFBR under the research project № 15-42-00106.

Keywords: biofunctional materials, burning rate, hysteresis, micropyrometer, oxide bronze, SHS


Рубрика: 02.00.00 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Гуляев П.Ю. Температурный гистерезис в волне горения СВ-синтеза оксидных бронз с высоким фототермическим эффектом // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/12/60285 (дата обращения: 20.11.2016).

ВВЕДЕНИЕ.

Явление cамораcпространяющегоcя выcокотемпературного cинтеза (CВС) материалов, открытое в 1967 году академиком А.Г.Мержановым, представляет собой процесс безгазового горения твердых порошковых смесей, локализированный в узкой зоне реакции и распространяющемуся с равномерной скоростью по всему объему исходных продуктов [1]. Традиционно CВС рассматривался как автоволновой процесс в квазигомогенной среде с источниками тепла, описываемый системой уравнений теплопроводности и реакционной диффузии [2,3]. Cовременные представления о такой модели приходят в противоречие с экспериментальными данными о дискретном характере тонкой тепловой структуры волны горения CВC [4-8]. Впервые такие результаты были получены более 20 лет назад благодаря разработке и применению новых методов высокоскоростной микропирометрии [9-17], а в дальнейшем и специальных электронно-оптических комплексов с синхронной развёрткой – «стрик-камер» наносекундного разрешения [18-22]. Оcобое внимание уделено развитию дискретных моделей горения, которые дают возможность различить квазигомогенный и микрогетерогенный режимы таких процеccов [23-27]. Следует отметить, что до сих пор в теоретических моделях дискретного горения СВС не используется синергетический подход академика С.П.Курдюмова [28], который объясняет эффект «локализации тепла» и возникновение метастабильных тепловых структур конечной, так называемой «фундаментальной» толщины.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Ранее считалось, что эффект локализации тепла не осуществим в твердых телах из-за малого изменения коэффициента теплопроводности и линейности внутренних источников тепла горящей среды. Как показано нами раньше[29], в рассматриваемых нами процессах СВС этого ограничения нет. Целью данного исследования является установление экспериментальных зависимостей локальной скорости волны горения СВС от локальной адиабатической температуры дискретного очага.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В качестве исследуемой СВС-системы была выбрана двухступенчатая реакция синтеза титановых оксидных бронз, сочетающих электронную и ионную проводимости, что обеспечивает возможность получения из них нанопорошков с аномально высоким фототермическим эффектом [30,31].

2CuO + Ti → 2Cu + TiO2 + Q        exothermic

2TiO2 + 2xNaI→2NaxTiO2 + x I2  endothermic

0,25 ≤x≤0,50

Исходным продуктом реакции выбран рутил TiO2    с кристаллической решеткой в виде октаэдрических координационных полиэдров, показанных на рисунке 1.

Рисунок 1. Исходный продукт СВ-синтеза TiO2

В ходе теплового воздействия волны СВС на частицы рутила в термогенерированные октаэдрические пустоты TiO2  происходит интеркаляция ионов Na  c образованием конечного продукта NaxTiO2, кристаллическая решетка которого приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Конечный продукт СВ-синтеза NaxTiO2 (0,25 ≤x≤0,50 )

Основные физико-химические методы исследования конечных продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза оксидных титановых бронз изложены в нашей работе [32]. К особенностям исследования температурной кинетики и тонкой тепловой структуры воны горения СВС следует отнести применение методов спектрально-яркостной пирометрии (СЯП) самокалибровки пирометра-тепловизора [13,33] и тепловизионной хроноскопии наносекундного разрешения c помощью стрик-камеры «ВТ-Nano Gate» [20, 34-36]. На рисунке 3 представлен пример регистрации последовательных кадров высокоскоростной (1000 кадров в секунду) съемки волны горения.

Рисунок 3. Кадры высокоскоростной тепловизионной съемки – частота: 1000 fps; размер фотоматрицы: 1200*640 pixel; пространственное разрешение: 5 мкм/ pixel.

Вектором Vx обозначено направление нормальной составляющей скорости распространения фронта. Тангенциальную составляющую («спинового» горения) в нашей методике мы специально не анализируем, т.к.  она имеет знакопеременное значение и является вторичным проявлением эволюции системы «локальных» очагов в режиме теплового взрыва, показанного на рисунке 4.

Рисунок 4. Характерная тепловая микроструктура волны СВС с последовательностью локализированных тепловых взрывов.

Вдоль каждой из 1200 строк тепловизионного изображения строилась температурная хронограмма, пример которой показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Хронограмма волны горения СВС вдоль одной из линий сканирования

Принцип анализа хронограммы и расчета для каждой линии (строки изображения) нормальной составляющей скорости волны Vx, времени термохимической индукции и тепловой полуширины волны СВС приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Пример определения нормальной составляющей скорости волны горения, тепловой «фундаментальной» толщины, времени термохимической индукции для одной из линий хроноскопического сканирования.

Обычно применяемые в анализе волны горения СВС термограммы получаются из хронограммы при условии x=const, а температурный профиль при t=const, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Термограмма волны СВС в одной точке (сечении) хронограммы

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

В результате статистической обработки всех хронограмм – в нашем случае их число равно количеству строк фотоприемной матрицы (NY=1200) можно получить плотность распределения точек на линии волнового фронта по температурам, приведенном на рисунке 8.

Рисунок 8. Температурное распределение в волне СВС.

С распределения по скоростям дело обстоит гораздо сложнее, т.к. скорость является результатом косвенного измерения и в нашем случае было принято решение брать среднюю скорость по каждой линии хроноскопирования, т.е. усредненный наклон хронограммы на рис.6.

В результате анализа всех линий сканирования получилось распределение приведенное на рисунке 9.

Рисунок 9. Распределение хронограмм по скоростям.

Анализ корреляционной зависимости скорости от температуры был проведен путем построения фазового пространства {Vx,T}, отображающего точки [Vx(i),T(i)] для всех i от 1 до NY=1200, что и показано на рисунке 10.

Рисунок 10. Зависимость скорости волны горения СВС от температуры волнового фронта.

Очевидно, что данная зависимость носит нелинейный характер и явно выраженный гистерезисный вид. Такое поведение волны, как известно [1,2,4,23,28] может объясняться целым рядом физических механизмов, которые требуют дополнительного изучения. Полученный эксериментально вид гистерезиса ясно указывает на имеющую место конкуренцию процессов температуропроводности (α) и диффузии (D).

ВЫВОДЫ.

1. Экспериментально установлено заметное проявление бимодальность в распределении температуры и скорости волны горения в процессе синтеза оксидных бронз.

2. Есть два главных компонента в распределении температуры. Первый описывается нормальным гауссовским распределением режима Т = 1950°С и среднеквадратическим разбросом 65-70 °С , что соответствует форсажной области, где происходит поглощение теплового эффекта СВС внутренним теплоотводом на эндотермическую реакцию. Второй имеет аномальную плотность вероятности ( в 4 раза превышающую нормальный режим распределения ) на Tad = 2075оС и соответствует локализации тепла в микроочагах (~ 10 мкм ) местных тепловых взрывов.

3. Корреляция ” температура – скорость ” имеет два стационарных значения скорости: “быстрое” – 2,7 мм/с , с преобладанием диффузии над теплопроводностью и “медленное” – 2,4 мм/с , где преобладает теплопроводность .

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-42-00106.


Библиографический список
  1. Мержанов А.Г. Твердопламенное горение. – Черноголовка: ИСМАН. 2000. 224 с.
  2. Ivleva T. P.Merzhanov A. G. Three-dimensional modes of unsteady solid-flame combustion//Chaos.-2003. -V. 13, N 1. -P. 80-85.
  3. Aldushin A.P., Ivleva T.P. Simulation of the hydrodynamic instability of a filtration combustion wave in a porous medium //Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2015. Т. 51. № 1. С. 107-115.
  4. Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Филимонов В.Ю. Температуропроводность реагирующих сред // Перспективные материалы. 1999. № 2. С. 73-77.
  5. Калачев А.В., Гуляев П.Ю., Иордан В.И. Исследование тепловой структуры волны горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Известия Алтайского государственного университета. 2005. № 1 (45). С. 104-109.
  6. Гуляев П.Ю., Калачёв А.В. Пирометрия процесса СВС на основе МДП-фотодиодных матриц в режиме накопления заряда // Ползуновский вестник. 2005. № 4-1. С. 171-174.
  7. Gulyaev P.Yu., Gulyaev I.P., Milyukova I.V., Cui H.Z. In-situ selfpropagating-hightemperature-synthesis controlled by plasma // Вестник Югорского государственного университета. 2012. № 2 (25). С. 28-33.
  8. Gulyaev P.Yu., Gulyaev I.P., Milyukova I.V., Cui H.-Z. Temperature measurements for Ni-Al and Ti-Al phase control in SHS Synthesis and plasma spray processes // High Temperatures – High Pressures. 2015. Т. 44. № 2. С. 83-92.
  9. Garkol’ D.A., Gulyaev P.Y., Evstigneev V.V., Mukhachev A.B. A new high-speed brightness pyrometry method to investigate self-propagating high-temperature synthesis // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 1994. Volume 30. Issue 1. pp 72-76. DOI:10.1007/BF00787888
  10. Development prospects of SHS technologies in Altai state technical university/ V.V. Evstigneev, P.J. Guljaev, I.V. Miljukova, at al // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2006. Т. 15. № 1. С. 99-104.
  11. Гарколь Д.А., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Мухачев А.Б. Новая методика высокоскоростной яркостной пирометрии для исследования процессов СВС // Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30. № 1. С. 72-77.
  12. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008. Т. 51. № 9-3. С. 69-76.
  13. Gulyaev I.P., Ermakov K.A., Gulyaev P.Yu. New High-Speed Combination of Spectroscopic And Brightness Pyrometry For Studying Particles Temperature Distribution In Plasma Jets // European researcher. 2014. № 3-2 (71). С. 564-570.
  14. Долматов А. В., Гуляев И.П., Имамов Р.Р. Спектральный пирометр для контроля температуры в процессах термосинтеза // Вестник Югорского государственного университета. 2014. № 2 (33). С. 32-42.
  15. Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Иордан В.И. Разрешающая способность виртуальных приборов контроля температуры частиц в плазменных потоках по суммарному спектру // Ползуновский альманах. 2008. № 2. С. 13-14.
  16. Бороненко М.П., Гуляев П.Ю. Телевизионная измерительная система наносекундного разрешения // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2014. № 1 (31). С. 60-64.
  17. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008. Т. 51. № 9-3. С. 79-87.
  18. Бороненко М.П., Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Серегин А.Е. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 3-2. С. 70-73.
  19. Increasing the noise immunity of optical-electronic systems based on video cameras with an optical converter / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin and K. G. Poluhina // Journal of Physics: Conference Series.- 2015.- Vol. 643.-  № 1 .- 012028. DOI:10.1088/1742-6596/643/1/012028
  20. Increasing accuracy of high temperature and speed processes micropyrometry / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin and А. G Bebiya // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.- 2015.- Vol. 93.- №  1.- 012021. DOI:10.1088/1757-899X/93/1/012021
  21. Бороненко М.П., Гуляев П.Ю., Гуляев И.П., Демьянов А.И., Долматов А.В., Иордан В.И., Коржик В.Н., Кривцун И.В., Харламов М.Ю. Методы контроля температуры и скорости частиц конденсированной фазы в процессе плазменно-дугового напыления // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-6. С. 1194-1199.
  22. Оценка скорости и температуры дисперсной фазы в струях плазменно-дугового напыления / М.П. Бороненко, И.П. Гуляев, П.Ю. Гуляев, А.И. Демьянов, А.В. Долматов, В.И. Иордан, В.Н. Коржик, И.В. Кривцун, М.Ю. Харламов // Фундаментальные исследования. 2014. № 11-10. С. 2135 - 2140.
  23. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Экспериментальная проверка дискретных моделей горения микрогетерогенных составов, образующих конденсированные продукты сгорания (Обзор) //Физика горения и взрыва. 2015. Т. 51. № 1. С. 66-76.
  24. Ермаков К. А., Долматов А. В., Гуляев И.П. Система оптического контроля скорости и температуры частиц в технологиях газотермического напыления //Вестник Югорского государственного университета. 2014. № 2 (33). С. 56-68.
  25. Ващенко С.П., Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Кузьмин В.И. Экспресс-контроль движения и нагрева частиц при газотермическом напылении // В сборнике: Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта. Теория и практика: Материалы 17-й международной научно-практической конференции. 2015. С. 61-68.
  26. Гуляев П.Ю., Гуляев И.П. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины // Системы управления и информационные технологии. 2009. Т. 35. № 1.1. С. 144-148.
  27. Experimental investigation of process of plasma-arc wire spraying / I.P. Gulyaev, P.Yu. Gulyaev, V.N. Korzhik, A.V. Dolmatov, V.I. Iordan, I.V. Krivtsun, M.Yu. Kharlamov and A.I. Demianov // The Paton Welding Journal. 2015. № 3-4. С. 36-41.
  28. Курдюмов С.П., Куркина Е.С. Спектр собственных функций автомодельной задачи для нелинейного уравнения теплопроводности с источником//Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2004. Т. 44. №9. C. 1619-1637.
  29. Gulyayev, P. Yu., Evstigneyev, V.V., Philimonov, V.Yu.: The Temperature Conductivity of the Reacting Mediums / In Book “Advances in Condensed Matter and Materials Research: V.2”, ed. F. Gerard.New York: Nova Science Publishers Inc,USA, 2002. pp. 235–241.
  30. Гуляев П.Ю., Котванова М.К., Павлова С.С., Соболь Э.Н., Омельченко А.И. Фототермические эффекты лазерного нагрева наночастиц оксидов железа и оксидных бронз в хрящевых тканях // Российские нанотехнологии. 2012. Т. 7. № 3-4. С. 62-65.
  31. Лазерная стабилизация биогелей с наночастицами простых и сложных оксидов титана, железа и молибдена / Блинова Н.Н., Котванова М.К., Гуляев П.Ю., Омельченко А.А., Павлова С.С., Соболь Э.Н.// Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: Сборник материалов VI Международной конференции (Москва. 10-13 ноября2015 г.). – М: ИМЕТ РАН, 2015.- С. 635-637.
  32. Гуляев П.Ю., Котванова М.К., Милюкова И.В., Павлова С.С., Стась И.Е. Физико-химические методы исследования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза оксидных титановых бронз // Ползуновский альманах. 2010. № 2. С. 62-64.
  33. Бересток Г.М., Гуляев П.Ю., Долматов А.В., Милюкова И.В. Система оптического контроля тепловых параметров процесса СВ-синтеза // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2-2 (46). С. 71-81.
  34. Evoluation of combustion temperature and combustion speed of process of SH-Synthesis of titanium oxide bronze/ Margarita Kotvanova, Nadezhda Blinova, P.Yu. Gulyaev, Alexey Dolmatov, Svetlana Pavlova // XIII International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis, Book of abstracts. – October 12 – 15, 2015,Antalya,Turkey, 2015.- P. 160-161.
  35. Plasma spray of metal and cermet coatings from Ni-Al alloys prepared by SHS process / Igor Gulyaev,Pavel Gulyaev, Irina Milyukova // XIII International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis, Book of abstracts.- October 12 – 15, 2015, Antalya, Turkey, 2015.- P. 221-222.
  36. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Сыч Т.С., Белов Т.А. Влияние дисперсности порошков на свойства алюминидов титана в условиях теплового взрыва СВ-синтеза // Новые материалы и технологии: сборник научных статей II Российско-Казахстанской  молодежной научно-технической конференции. Барнаул, 12 декабря2014 г.- Барнаул: Изд-во ООО «Алтай-Циклон», 2014.- С. 122-127.


Все статьи автора «Гуляев Павел Юрьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация