WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Китлер Владимир Давыдович ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА 01.02.05–Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2009 2

Работа выполнена в заочной аспирантуре ГОУ ВПО «Томский государственный университет» на кафедре математической физики и в отделе структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, ст.н.с. Кирдяшкин Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент Биматов Владимир Исмагилович доктор технических наук, ст.н.с. Немова Татьяна Николаевна

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН г. Новосибирск

Защита состоится «29» декабря 2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, д.36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, д 34а.

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Ю.Ф. Христенко 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Развитие научно-технического прогресса требует создания новых конструкционных материалов, способных работать в агрессивных средах, в условиях высоких температур, механических нагрузок и т.д. Одним из методов получения таких материалов является энергосберегающий процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Суть процесса заключается в организации самоподдерживающихся экзотермических реакций в порошковых системах. Для получения материалов методом СВС необходимо располагать комплексом сведений о механизме процесса, о связи параметров химического взаимодействия с закономерностями формирования структуры и состава продуктов реакции. Умение целенаправленно изменять основные характеристики синтеза позволяет получать новые материалы с заданными свойствами. В случае плавления исходных компонентов и конечных продуктов при протекании СВС существенное влияние на кинетику гетерогенной реакции и динамику структурных превращений реакционной системы оказывают капиллярные явления в образующихся расплавах. При СВС высокопористых материалов капиллярные силы, в сравнении с действием гравитации и газового давления, являются доминирующим фактором, который обеспечивает дополнительную интенсификацию конвективного тепло-массопереноса внутри реакционной волны.

Наиболее детально изучен эффект капиллярного растекания плавящихся частиц порошковой смеси, который может видоизменять кинетический режим реакции СВС и приводить к формированию специфической морфологии пористого продукта взаимодействия, где геометрия пор повторяет контуры плавящихся частиц. К настоящему времени в процессах СВС практически неизученными остаются другие капиллярные эффекты - конвекция Марангони и градиентная фильтрация расплавов, которые имеют свои особенности в условиях температурной, химической и структурной неоднородности волны горения гетерогенных систем.

Изучение указанных эффектов актуально в связи с необходимостью расширения представлений о механизме горения гетерогенных систем и разработки новых технологий СВ-синтеза функциональных пористых материалов для фильтров, катализаторов и др.

Целью работы является изучение природы капиллярных явлений в процессах СВС и их влияние на закономерности горения и формирования структуры продуктов.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать особенности капиллярных явлений при протекании гетерогенных неизотермических реакций на модельных системах в условиях, имитирующих температурные и динамические режимы протекания СВС.

2. На примере систем Ni–Al, Ti–B–Cu, FeO–Al–Al2O3 и др. изучить взаимосвязь параметров конвекции Марангони, градиентной фильтрации расплавов в волне СВС порошковых смесей с динамикой горения и формирования структуры продуктов.

3. Разработать методические основы СВС высокопористых термостойких материалов для газовых энергосберегающих горелок и каталитических систем с учетом капиллярных эффектов.

Новизна полученных результатов 1. Разработана новая методика изучения контактного взаимодействия разнородных расплавов в неизотермических условиях, близких к температурной структуре реальной волны СВС. Методика основана на импульсном нагреве модельных реакционных систем лазерным излучением.

2. Установлены эффекты реакционной капиллярной конвекции расплавов в волне горения, включающие перемешивание жидких реагентов на масштабе отдельных частиц (конвекция Марангони) и фильтрационное перераспределение расплава на масштабе волны горения (градиентная фильтрация), связанные с действием поверхностных сил в условиях температурной и химической неоднородности среды. Определены механизмы влияния указанных капиллярных эффектов на динамику горения и формирования различных типов пористых структур СВС.

3. Установлен капиллярный механизм фазоразделения продуктов высокотемпературных алюмотермических реакций.

4. Разработаны методические основы получения высокопористых термостойких изделий для газовых энергосберегающих горелок и катализаторов на базе интерметаллидных и металло-оксидных композиционных СВС - материалов.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Капиллярный гидродинамический механизм смешения расплавленных компонентов в волне безгазового горения интерметаллидных и гибридных систем, обусловленный конвекцией Марангони, который может обеспечить повышение эффективной скорости массопереноса в 102104 раз в сравнении с молекулярной диффузией. Указанный механизм является причиной повышения линейной скорости горения и интенсификации процесса теплового взрыва при увеличении размера частиц исходных компонентов смеси, формирования упорядоченноячеистой микроструктуры продукта взаимодействия.

2. Капиллярный гидродинамический механизм спинового режима безгазового горения порошковых смесей, обусловленный фильтрационным перераспределением расплава легкоплавкого компонента под действием градиента температуры на масштабе волны горения. Геометрическая форма реакционного фронта определяется характеристиками капиллярного проникновения расплава в низкотемпературные участки волны горения.

3. Особенности формирования структуры выскопористых материалов СВС, учитывающих капиллярные эффекты в волне горения, в том числе, условия образования градиентной пористости и продукта в виде пористого скелета из спаянных капель округлой формы.

Практическая ценность работы С использованием импульсного нагрева лазерным излучением, разработана методика изучения контактного взаимодействия разнородных расплавов в неизотермических условиях, моделирующая температурную структуру волны СВС.

Разработаны методические основы получения высокопористых термостойких изделий для газовых энергосберегающих горелок и катализаторов на базе интерметаллидных и металло-оксидных композиционных материалов СВС.

Работа выполнена в рамках госбюджетной темы «Исследование физикохимических процессов СВС многофункциональных материалов, в том числе с использованием полей», «Изучение быстропротекающих химических процессов в гетерогенных системах, образующих конденсированные продукты реакции, в условиях физического воздействия» ГР № 01.2.0007 01450ГР № 01.2.00100846.

Работа получила поддержку РФФИ (грант № 05-03-32139-а, № 08-03-0032, № 05-0398000-р_обь_а, № 08-03-99032-р_офи), фонда CRDF (грант ТОО 16-02).

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается применением новейших оптических методов исследования распространения волны горения, современных методов анализа структуры и фазового состава, сопоставлением полученных автором экспериментальных результатов с имеющимися литературными данными.

Публикации Результаты диссертации представлены в 16 работах, опубликованных в российских и зарубежных научных журналах, сборниках, трудах и материалах Всероссийских и Международных конференций, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК.

Апробация работы Результаты докладывались на I Международном симпозиуме по самораспространяющемуся выскотемпературному синтезу (Alma-Ata, 1991), IV Международном симпозиуме по самораспространяюшемуся выскотемпературному синтезу (Toledo, Spain, 1997), III Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2002), VI Международном симпозиуме по самораспространяюшемуся выскотемпературному синтезу (Haifa, Israel, 2002), V Всероссийсой научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2006), IV Международном симпозиуме «Горение и плазмохимия» (Алматы, Казахстан, 2007),VI Международном семинаре по структуре пламен (Brussels Belgium, 2008),VI Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2008), а также на научных семинарах отдела структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН.

Структура работы Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, перечня использованной литературы и приложения. Общий объём диссертации составляет 149 страницы (включая 55 рисунков, 5 таблиц, 120 библиографических названий).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и определены цели работы, ее тематика, сформулированы выносимые на защиту положения и научная новизна результатов исследований, отражена их практическая значимость.

Первая глава диссертации посвящена обзору известных литературных данных о механизмах горения и структурообразования в гетерогенных системах, образующих конденсированные продукты взаимодействия в условиях стационарного и нестационарного послойного горения и теплового взрыва.

Освещены особенности СВС с частичным или полным плавлением компонентов в волне горения. Отдельное внимание уделено существующим представлениям о влиянии капиллярного растекания плавящегося компонента в реакционной смеси на закономерности горения.

Вторая глава является методической. В ней даны характеристики использованных порошковых реагентов. Описаны способы приготовления реакционных смесей, условия проведения СВС, методики измерения скорости и температуры горения, динамики структурообразования в реакционной волне с использованием термопарных измерений и видеосъемки процесса горения.

Представлены инструментальные методы, примененные для исследования продуктов реакции: растровая электронная микроскопия; рентгенофазовый, металлографический и микрорентгеноспектральный анализы. Описана специально разработанная методика лазерной закалки для изучения контактного взаимодействия разнородных расплавов в неизотермических условиях. Суть методики заключается в быстром нагреве поверхности модельных биметаллических систем кратковременным импульсом мощного лазерного излучения (рисунок 1а).

Исследуемые образцы представляли собой сборки из разнородных металлов различных конструкций (рисунок 1б, 1в, 1г).

Излучение б лазера Фокусирующая линза в Зона взаимодействия Образец г а Рисунок 1–Схемы лазерной закалки (а) и исследуемых модельных биметаллических систем (б, в, г): б–сборка проволок (1), запрессованных в порошковую матрицу (2); в–сборка проволок (1, 2), обжатых в стальной обойме;

г–притертые пластины (1, 2). 1–Ni, Ti; 2–Al, Fe В процессе нагрева происходит плавление тонкого приповерхностного слоя образца (10-4м) и развитие процесса взаимодействия расплавов в зоне контакта металлов. После окончания действия лазерного импульса реализуется быстрое (10-3с) охлаждение приповерхностного слоя за счет отвода тепла в объем образца, что позволяет закаливать промежуточное состояние реакционного процесса. В работе использовался импульсный лазер ГОС 1001 мощностью 400 Вт, длиной волны 1.06 мкм, создающий плотность потока излучения q=(0.33)·109 Вт/м2 в течение времени импульса tи10-3 с. Как показывают проведенные в работе оценки, тепловые характеристики модельных систем в зоне воздействия лазерного излучения (максимальная температура разогрева поверхности образца 10 К, скорость 5 6 6 нагрева 10 10 К/c и градиент температуры 10 10 К/м) близки к аналогичным параметрам волны гетерогенного горения. Отсюда следует вывод о том, что данная методика позволяет анализировать процесс контактного взаимодействия расплавов в условиях, подобных СВС.

В третьей главе представлены результаты исследования особенностей капиллярных явлений на модельных гетерогенных системах в условиях, имитирующих температурные режимы протекания реакций СВС.

С использованием методики лазерной закалки показано, что в отсутствии плавления состав и структура зоны контакта разнородных металлов в биметаллических образцах после лазерной термообработки практически не отличаются от исходного состояния. Это свидетельствует о незначительности развития процессов гетерогенной твердофазной диффузии за время действия лазерного импульса. В случае плавления поверхностного слоя образца в контактной зоне наблюдается развитие вихревых конвективных потоков расплавов различного состава (рисунок 2), имеющих пространственный масштаб 501000 мкм, которые реализуются во всем расплавленном слое и обеспечивают быстрое перемешивание компонентов системы. Максимальный размер вихревых образований ограничен масштабом гетерогенности исходной биметаллической системы (для проволочной сборки) либо размером пятна лазерного нагрева (для притертых пластин).

Минимальный размер зависит от конкретной системы и составляет 2050 мкм.

а б Рисунок 2–Электронно-растровая фотография поверхности сборки Fe-Ni до (а) и после (б) импульсной лазерной обработки 1–проволока Ni, 2–порошок Fe, 3–сплавы Fe–Ni переменного состава Из соотношения максимального пространственного масштаба потоков и времени существования расплава (10-3c) оценочный уровень скорости потоков составляет 1.0 м/с.

Наблюдаемые конвективные потоки объясняются действием капиллярных сил на свободной поверхности расплавленных металлов в условиях температурной и химической неоднородности (конвекция Марангони).

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»