УДК 536.46

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ ЭФФЕКТОВ РАСПАДА ВОЛНЫ СВ-СИНТЕЗА НА МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ОЧАГИ ПРИ ВВЕДЕНИИ ИНЕРТНОЙ ДОБАВКИ

Гуляев Павел Юрьевич1, Имамов Ринат Рамилевич2, Юрукин Павел Андреевич3
1Югорский государственный университет, доктор технических наук, зав. каф. физико-химии процессов и материалов
2Югорский государственный университет, аспирант кафедры физико-химии процессов и материалов
3Югорский государственный университет, аспирант кафедры физико-химии процессов и материалов

Аннотация
Установлен предел разбавления шихты NiAl в размере добавки 30% массовой доли SiO2, при котором существует возможность прохождения реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме автоволнового горения. Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-42-00106.

Ключевые слова: инертная добавка, микропирометрия, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, скорость горения, температура самовоспламенения, теплопроводность


THE MATHEMATICAL MODEL AND THE EXPERIMENTAL VERIFICATION OF THE EFFECTS OF MICRO-HETEROGENEOUS DECAY WAVE SHS METASTABLE THERMAL POCKETS WITH THE INTRODUCTION OF INERT ADDITIVES

Gulyaev Pavel Yurevich1, Imamov Rinat Ramilevich2, Yurukin Pavel Andreevich3
1Ugra State University, Dr. of Technical Sciences, head of the department of physical chemistry processes and materials
2Ugra State University, graduate student of physical chemistry processes and materials
3Ugra State University, graduate student of physical chemistry processes and materials

Abstract
A limit dilution NiAl charge in the amount of the addition of 30% mass fraction of SiO2, in which it is possible to react SHS mode autowave combustion. The reported study was partially funded by RFBR according to the research project No. 15-42-00106.

Keywords: auto-ignition temperature, combustion rate, inert additives, micropyrometer, SHS, thermal conductivity


Рубрика: 01.00.00 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Гуляев П.Ю., Имамов Р.Р., Юрукин П.А. Математическая модель и экспериментальная проверка микрогетерогенных эффектов распада волны СВ-синтеза на метастабильные тепловые очаги при введении инертной добавки // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/01/62224 (дата обращения: 21.11.2016).

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

ВВЕДЕНИЕ

Технология СВС – химический процесс, проходящий с большим выделением энергии в автоволновном режиме типа горения и приводящий к формированию твердых продуктов [1].

Явление теплового взрыва характеризуется: высоким выделением тепла; скоростью, возрастающая экспоненциально; потерей тепла, которое зависит от градиента температур в образце и окружающей среде[2].

Как известно пористая проницаемая металлокерамика, полученная по технологии СВС может быть использована в качестве фильтров тонкой очистки жидкостей и газов, легко дробиться в порошки для плазменного напыления, использоваться в качестве компонентов композиционных, конструкционных и функциональных материалов [4, 20-28 ]. Чтобы такие металлокерамические материалы имели возможность конкурировать с существующими на рынке прототипами, они должны иметь невысокую стоимость. Реакция СВС в системе Ni-Al характеризуется высоким значением теплового эффекта 1367 кДж/кг [5,7.23], поэтому предполагается использовать инертную добавку, чтобы удешевить конечный продукт и исследовать изменения режима горения СВС.

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для  определения максимального значения инертной добавки порошком кварца в бинарную систему Ni-Al, при которой возможен СВ-синтез,  были поставлены эксперименты с  разными содержаниями SiO2: 10 мас.%, 20 мас.%, 25 мас.%, и 30 мас.%.  Для синтеза использовались порошки: Ni – до 15 мкм, Al – до 50 мкм, SiO2 – от 50 до 150 мкм.

Диагностика процесса синтеза, в волновом режиме, образцов с разными массовыми процентными содержаниями не дала точных данных о влиянии инертной добавки на температуру реакции. Были получены критические условия зажигания системы Ni-Al-SiO2,  в предельных значениях добавки SiO2  в размере 30 мас.%. При таких условиях реакция СВ-синтеза идет в автоколебательном режиме распространения фронта горения. Следует отметить, что при таком процентном содержании реакция проходит лишь на часть шихты.

Для определения температуры самовоспламенения смеси Ni-Al с инертной добавкой SiO2 (в количестве 30%) в режиме теплового взрыва была использована схема, изображенная на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема экспериментальной установки: ● – положения установки термопар; ○ – частицы шихты; пунктирными линиями обозначены термопары.

В состав экспериментальной установки, приведенной на рисунке 2, входят: лабораторная печь, в которой установлен образец в кварцевой трубке, 2 термопары, 2 мультиметра, ПК со средой Matlab. Установка термопар была осуществлена на краю шихты и внутри неё. Это обусловлено тем, что на краю нагрев шихты происходит более интенсивно, чем внутри. С помощью данных в двух разных точках образца можно найти разницу температур.

Рисунок 2. Схема расположения термопар: 1 – термопары; 2 – исходная шихта; 3 – кварцевая трубка.

Прогрев шихты проходил в лабораторной трубчатой печи мощностью 1 кВт, при температуре от 27 °С до 900 °С. Для обработки полученных с мультиметров данных была использована среда Matlab.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Математическая модель СВС реакции ,описанная в [1], состоит из уравнения теплопроводности и уравнения кинетики. Кинетика задана в форме уравнения Аррениуса, количество вступающего в реакцию вещества (выделяющегося тепла) растет с ростом температуры реагентов. В концепции метастабильной локализации тепла [2] граничное условие (нагрев) задается в виде T(0,t)=A*(-t)(-1/σ), где t — время, (tн=-∞)<t и стремящееся к tk=0. Иначе можно было задать как  T(0,t)=A*(tk-t)(-1/σ) для t< tk. В реакции СВС временем tk можно считать максимум тепловыделения. После этого момента оставшихся реагентов уже не хватает на требуемый режим нагрева и тепло успевает растекаться, не образуя локализацию.

Численное решение одномерного уравнения теплопроводности с источниками тепла и коэффициентом теплопроводности зависящим от температуры приведено на рисунке 3.

Рисунок 3. Температуры и ошибки для М=0.90, М=1.00, М=1.20 и М=2.00.

 Математические модели влияния температуры на физические характеристики среды хорошо известны [29-31 ] Для расчета использовался алгоритм из [3,5 ] на  массиве из 1000 точек. Начальные условия: T(x,0)= 0.1*(exp((-1/2)*log(c-(1-x/w)))-b) = 0.1*((c-(1-x/w))-1/2-b), w=128, b=0.895,c=1.009999;   Граничные условия не заданы, потоки через них отсутствуют (теплоизолированный стержень). Теплопроводность задана полиномом: λ=A+B*T+C*T2+D*T3, с коэффициентами  A=0.0000034, B=0.000034, C=D=0. Время каждой точки задано: tx=1-x/w, где w=128. Это время увеличивается на временной шаг модели: tx+= τ*M, где M – множитель, характеризующий степенную зависимость теплопроводности от температуры.

Для точек с временем в интервале (0,1) доступны источники тепла, считается температура нагрева:   =0.1*((1.009999-tx)-1/2-0.895), вычисляется ошибка нагрева:    E=Tн-Tэ, где — текущая температура в точке. После чего температура точки ставится равной .

ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

В результате эксперимента была получена термограмма процесса синтеза в режиме теплового взрыва. На рисунке 4 изображена зависимость температуры от времени.

Рисунок 4 – Термограмма режима теплового взрывы бинарной смеси Ni-Al-SiO2. Ордината: t- [мс]; абсцисса: T-[°С].

Можно заметить, что более высокий нагрев по краю образца, объясняется  большим подводом энергии от печи в единицу времени, чем внутри образца. Температура самовоспламенения составила 660 °С. Как было замечено ранее [32-39], введение инерта в волну горения приводит к изменению масштаба  гетерогенности и последующему быстрому распаду волны синтеза на цепь локальных тепловых микровзрывов. Гомогенизации реакционной шихты может способствовать предварительная обработка в высокоэнергонагруженных  мельницах [40-42].

ВЫВОДЫ

Установлена  предельная массовой концентрация вводимой инертной добавки SiO2 в бинарной системе Ni-Al, при которой еще существует возможность прохождения реакции СВ-синтеза в режиме автоколебательного волнового горения.

На основании полученных данных установлена температура самовоспламенения смеси Ni-Al-SiO2 в режиме теплого взрыва, с максимально допустимой добавкой порошка SiO2, при которой возможна реакция протекания СВ-синтеза в режиме горения.

Реакции СВС протекающие между твердофазными реагентами характеризуются узким пространственным распределением высокотемпературной зоны реакции, быстрым ростом температуры по фронту. Метастабильная локализация тепла происходит в условиях нагрева в режиме с обострением и коэффициентом теплопроводности зависящим от температуры и заключается в росте температуры в некоторой области, при том что ее граница не успевает переместиться.


Библиографический список
  1. Ивлева Т.П., Мержанов А.Г. Математическое моделирование неустойчивого твердопламенного горения (трехмерный случай).- В кн.: Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика.- Черноголовка: “Территория”, 2001.- С. 45-69.
  2. Змитренко Н.В., Михайлов А.П. Явление инерции тепла. – В кн.: Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент. – М.: Наука, 1988.- С. 137—170.
  3. Гейн С.В., Зайцев Н.А., Посвянский В.С., Радвогин Ю.Б. Метод независимых потоков для численного решения многомерного уравнения теплопроводности: препринт.- М.: Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша, 2003.- 28 с.
  4. Development prospects of SHS technologies in Altai state technical university/V.V. EvstigneevP.J. Guljaev,I.V. Miljukova, at al//International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2006. Т. 15. № 1. С. 99-104.
  5. 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.
  6. Экспериментальное исследование процесса плазменно-дугового проволочного напыления / Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Коржик В.Н., Долматов А.В., Иордан В.И., Кривцун И.В., Харламов М.Ю., Демьянов А.И. // Автоматическая сварка.- 2015.- № 3-4.- С. 37-43.
  7. 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.
  8. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы/М.П. Бороненко, И.П. Гуляев, П.Ю. Гуляев и др.//Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 3-2. С. 70-73.
  9. Boronenko M.P., Gulyaev P.Yu., Seregin A.E., Poluhina K.G. Increasing the noise immunity of optical-electronic systems based on video cameras with an optical converter // Journal of Physics: Conference Series. 2015. Т. 643. С. 012028. DOI:10.1088/1742-6596/643/1/012028
  10. Boronenko M.P., Gulyaev P.Yu., Seregin A.E., Bebiya A.G. Increasing accuracy of high temperature and speed processes micropyrometry // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Т. 93. № 1. С. 012021. DOI:10.1088/1757-899X/93/1/012021
  11. Бороненко М.П.Гуляев И.П.Серегин А.Е. Модель движения и нагрева частиц в плазменной струе//Вестник Югорского государственного университета. -2012. -№ 2. -С. 7-15.
  12. Phase formation time evaluation in NiAl combustion systems by the thermal fields visualization method / M.P. Boronenko, A.E. Seregin, P.Yu. Gulyaev, I.V. Milyukova // Scientific Visualization. 2015. Vol. 7. № 5. pp. 102-108.
  13. Gulyaev I. Experience in plasma production of hollow ceramic microspheres with required wall thickness //Ceramics International. 2014. Т. 41. № 1. С. 101-107. DOI: 10.1016/j.ceramint.2014.08.040
  14. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц /П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев и др.//Известия высших учебных заведений. Физика.-2008. -Т. 51, № 9-3. -С. 79-87.
  15. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру /П. Ю. ГуляевВ. И. ИорданИ. П. Гуляев и др.//Известия высших учебных заведений. Физика. -2008. -Т. 51. -№ 9-3. -С. 69-76.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Методы контроля температуры и скорости частиц конденсированной фазы в процессе плазменно-дугового напыления/М.П. Бороненко, И.П. Гуляев, П.Ю. Гуляев и др.//Фундаментальные исследования. 2013. № 10-6. С. 1194-1199.
  19. 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.
  20. Бороненко М.П.Гуляев П.Ю.Трифонов А.Л. Определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка//Вестник Югорского государственного университета. 2012. № 2 (25). С. 16-20.
  21. Гуляев И.П. Применение низкотемпературной плазмы для получения полых керамических порошков с заданными характеристиками // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 3-3. С. 123-126.
  22. Gulyaev I.P. Production and modification of hollow powders in plasma under controlled pressure//Journal of Physics: Conference Series. -2013. -Vol. 441, № 1. -P. 012033. DOI: 10.1088/1742-6596/441/1/012033
  23. Гуляев И.П. Плазменная обработка дисперсных материалов.- Ханты-Мансийск: Югорский государственный университет, 2013.- 115 с.
  24. Гуляев И.П. Плазменная обработка полых порошков в камере переменного давления //Вестник Югорского государственного университета. 2013. № 2 (29). С. 23-30.
  25. Гуляев И.П. Особенности получения и обработки полых частиц диоксида циркония в плазменных потоках //Вестник Югорского государственного университета. 2009. № 2. С. 10-22.
  26. Komienko E.E.Lapushkina E.J.Gulyaev I.P., et al. Air plasma sprayed coatings of self-fluxing powder materials//Journal of Physics: Conference Series. 2014. Т. 567. № 1. С. 012010.
  27. Phase formation time evaluation in NiAl combustion systems by the thermal fields visualization method / M.P. Boronenko, A.E. Seregin, P.Yu. Gulyaev, I.V. Milyukova // Scientific Visualization. 2015. Vol. 7. № 5. pp. 102-108.
  28. Arc-Plasma Wire Spraying: An Optical Study of Process Phenomenology/ I. P. Gulyaev , A. V. Dolmatov, M. Yu. Kharlamov, P. Yu. Gulyaev, V. I. Jordan, I. V. Krivtsun, V. M. Korzhyk, O. I. Demyanov// Journal of Thermal Spray Technology.-2015.- Volume 24, Issue 11.- pp. 1-8. DOI:10.1007/s11666-015-0356-6
  29. Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П., Минекес Р.Э. Инерционное влияние внешней среды на результаты измерений и принципы его учета // Геодезия и картография. 1996. № 3. С. 27-29.
  30. Гуляев Ю. П., Хорошилов В. С. Математическое моделирование. Анализ и прогнозирование деформаций сооружений по геодезическим данным на основе кинематической модели: учебное пособие. -Новосибирск: СГГА, 2012 -93 с.
  31. Гуляев Ю.П. Прогнозирование деформаций сооружений на основе результатов геодезических наблюдений.- Новосибирск: СГГА, 2008.- 256 с.
  32. Gulyaev P.Y., Kotvanova M.K., Pavlova S.S., Sobol’ E.N., Omel’chenko A.I. Photothermal effects of laser heating iron oxide and oxide bronze nanoparticles in cartilaginous tissues // Nanotechnologies in Russia. 2012. Т. 7. № 3-4. С. 127-131.  DOI: 10.1134/S1995078012020097
  33. 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.
  34. Гуляев П.Ю., Гуляев Ю.П., Долматов А.В. Байесовское восстановление цвета цифровых изображений // Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий). 1997. № 2. С. 114-115.
  35. Гуляев П.Ю. Регистрация световых потоков в среде с изменяющимся законом поглощения // В книге: Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе.-1987.- С. 126-129.
  36. 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.
  37. SHT-Synthesis and application of biofunctional nanoparticals used high photo-thermal effect for laser heating of biotissues / P.Yu. Gulyaev, M.K. Kotvanova, A.I. Omelchenko, E.N. Sobol //The 23-th Annual International Conference on Advanced Laser Technologies, Book of abstracts.- Faro, Portugal. September 7-11, 2015.- p. 46.
  38. Gulyaev I., Gulyaev P., Milyukova I. Plasma spray of metal and cermet coatings from Ni-Al alloys prepared by SHS process // В книге: International symposium on self-propagating high temperature synthesis SHS XIII.- 2015.- С. 221-222.
  39. Kotvanova M., Blinova N., Gulyaev P., Dolmatov A., Pavlova S. Evoluation of combustion temperature and combustion speed of process of SH-Synthesis of titanium oxide bronze // В сборнике: International symposium on self-propagating high temperature synthesis SHS XIII.- 2015.- С. 160-161.
  40. Self-propagating High Temperature Synthesis of Transition Metal Oxide Bronze Nanoparticles AхO·BОy, (A= Н, Na, K; B=Ti, Mo, W) and Their Application for Laser Heating of Biotissues /Gulyaev P.Yu., Kotvanova M.K., Omelchenko A.I. , Sobol E.N., Soshnikova Yu.M //Optical and Quantum Electronics.- 2015.- Vol. S-15.- 00861.
  41. Бебия А.Г., Гуляев П. Ю., Милюкова И. В. Изменение физико-химических свойств клиноптилолита после механической активации // Вестник Югорского государственного университета. 2015. № 2 (37). С. 58–61.
  42. Гуляев П. Ю., Серегин А. Е. Получение аморфизированного титана и нанесение покрытия на стальную основу в планетарной мельнице с высокой энергией активации // Вестник Югорского государственного университета. 2013. № 2 (29). С. 31-38.


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