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, (t_н=-∞)<t и стремящееся к t_k=0. Иначе можно было задать как  T(0,t)=A*(t_k-t)^(-1/σ) для t< t_k. В реакции СВС временем t_k 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: t_x=1-x/w, где w=128. Это время увеличивается на временной шаг модели: t_x+= 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-t_x)^-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.