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: Tн=0.1*((1.009999-tx)-1/2-0.895), вычисляется ошибка нагрева: E=Tн-Tэ, где Tэ — текущая температура в точке. После чего температура точки ставится равной Tн.
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
- 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.
- Змитренко Н.В., Михайлов А.П. Явление инерции тепла. – В кн.: Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент. – М.: Наука, 1988.- С. 137—170.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру /П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев и др.//Известия высших учебных заведений. Физика. -2008. -Т. 51. -№ 9-3. -С. 69-76.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- Гуляев И.П. Плазменная обработка дисперсных материалов.- Ханты-Мансийск: Югорский государственный университет, 2013.- 115 с.
- Гуляев И.П. Плазменная обработка полых порошков в камере переменного давления //Вестник Югорского государственного университета. 2013. № 2 (29). С. 23-30.
- Гуляев И.П. Особенности получения и обработки полых частиц диоксида циркония в плазменных потоках //Вестник Югорского государственного университета. 2009. № 2. С. 10-22.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- Гуляев Ю.П. Прогнозирование деформаций сооружений на основе результатов геодезических наблюдений.- Новосибирск: СГГА, 2008.- 256 с.
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Количество просмотров публикации: Please wait