WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Дмитриева Мария Александровна

МОДЕЛЬ УДАРНО-НАГРУЖЕННОГО РЕАГИРУЮЩЕГО ПОРОШКОВОГО ТЕЛА СО СТРУКТУРОЙ

01.02.04 – механика деформируемого твердого тела А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский государственный университет», кафедра механики деформируемого твердого тела.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Герасимов Александр Владимирович доктор химических наук, старший научный сотрудник Уракаев Фарит Хисамутдинович доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Черепанов Олег Иванович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка

Защита состоится "29" декабря 2009 г. в "14.30" часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при Томском государственном университете по адресу 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан "____"_______ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. ф.-м. н., ст. н. с. Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, совмещенный с ударным уплотнением реагирующей порошковой смеси, является объектом интенсивных исследований и разработок в России и за рубежом. Получены фундаментальные и практические результаты в различных областях химической физики, методов моделирования процессов в реагирующих порошковых средах, механики композиционных материалов, химии твердого тела, современного материаловедения, обеспечивающих совершенствование существующих технологий производства материалов. Толчком к ускорению работ в данном направлении послужил выход на наноразмерный уровень. Прогресс современных технологий ударного синтеза перспективных композиционных материалов и покрытий требует развития теории механического поведения химически реагирующего порошкового тела в условиях динамического нагружения, установления закономерностей деформирования и повреждаемости компонентов порошкового тела, выявления связей между структурой реагирующих материалов, характером внешних воздействий и процессами уплотнения и механической активации реагирующей смеси.

Исследования процессов синтеза химических соединений в дисперсных системах с разнообразным характером взаимодействия компонентов проводились различными группами ученых и связаны с именами Т.М. Абрамовича, А.П. Алдушина, В.В. Александрова, И.П. Боровинской, Н.И. Витиски, Ю.А.

Гордополова, Н.Н. Дорожкина, С.А. Зелепугина, В.И. Итина, М.А. Корчагина, Н.З. Ляхова, Ю.М. Максимова, А.Г. Мержанова, Ю.С. Найбороденко, Г.А. Нерсисяна, Б.И. Хайкина, С.Л. Харатяна, А.С. Штейнберга и других.

Экспериментальные исследования процессов синтеза материалов показали, что характерной чертой поведения реагирующих порошковых смесей являются многостадийность, многофазность и многовариативность физикохимических процессов. Многими исследователями экспериментально обнаружена стадия расплава легкоплавкой компоненты реагирующей порошковой смеси, более того во многих системах интенсивное взаимодействие компонентов наблюдается после плавления одного из них. Твердофазный режим горения, когда достигаемая при синтезе температура ниже температуры плавления всех компонентов смеси, позволяет сохранить структуру материала, заданную на стадии формирования исходного порошкового компакта, а также сохранить свойства отдельных элементов смеси. Однако экспериментально этот режим трудно осуществим. Последние экспериментальные результаты показали, что твердофазное горение может быть реализовано только после интенсивной предварительной механической активации компонентов реакционных смесей.

Во многих случаях для реализации определенного режима синтеза, а также самой возможности получения новых материалов определяющим фактором является механическая активация реагирующих компонентов, т.е. повышение их реакционной способности (снижение порога инициирования реакции и уменьшение продолжительности взаимодействия компонентов) за счет высокоэнергетического нетеплового воздействия. Исследования влияния механической активации на взаимодействие в различных порошковых системах с целью выяснения причин повышения реакционной способности компонентов проводились Е.Г. Аввакумовым, С.С. Бацановым, В.В. Болдыревым, К.Н. Егорычевым, Н.С. Ениколопяном, Ю.А. Гордополовым, В.В. Курбаткиной, З.А. Мансуровым, М.А. Мейерсом, В.Ф. Нестеренко, Н.Н. Тадани, В.С. Трофимовым, Ф.Х Уракаевым, и другими. Изучение поведения реагирующих порошковых смесей и компактов при интенсивном механическом воздействии позволило сделать вывод о многообразии факторов, определяющих повышение скорости механохимических превращений и понижение порога их инициирования.

Во второй половине ХХ века С.С. Бацановым открыт эффект сверхбыстрых твердофазных химических превращений: экспериментально зафиксировано протекание химических превращений в реагирующей порошковой смеси на фронте ударного импульса за интервал времени порядка 10-8 секунды.

Моделирование нестационарных физико-химических процессов, сопровождающих химических превращений со столь большими скоростями требует развития подходов к определению условий наступления нестационарного состояния, обеспечивающего сверхбыстрый массоперенос компонентов смеси, учета кинетики развития механической повреждаемости компонентов, обеспечивающей механическую активацию, учета инкубационных времен фазовых переходов.

Механическое поведение порошковых материалов при статическом и динамическом нагружении изучалось в работах М.Ю. Бальшина, П.В. Бриджмена, П.А. Витязя, Я.Е. Гегузина, В.А. Горельского, Г.М. Ждановича, С.А.

Зелепугина, С.П. Киселева, И.Ф. Мартыновой, В.Ф. Нестеренко, В.Я. Перельмана, В.В. Скорохода, А.А. Штерцера, В.Г. Щетинина и других. Различные аспекты поведения гетерогенных материалов при ударном нагружении исследованы в Томском госуниверситете в работах А.В. Герасимова, В.Н.

Лейцина, П.В Макарова, Т.М. Платовой, В.А. Скрипняка и других.

Оценка свойств гетерогенных многокомпонентных материалов возможна с позиций микромеханики композиционных материалов, развитых в последнее время в работах Г.А. Ванина, В.Э. Вильдемана, Р. Кристенсена, Б.Е. Победри, Ю.В. Соколкина, А.А. Ташкинова, Г.Д. Шермергора и др. Полученные результаты позволяют определять эффективные свойства материалов и ставить задачу о создании материалов с заданными свойствами.

Перспективная концепция моделирования физико-химических процессов в реагирующей порошковой среде предложена в работах В.Н. Лейцина.

Им представлена модель реагирующей порошковой среды, позволяющая исследовать закономерности ударного уплотнения реагирующих порошковых тел со структурой. К важным результатам его исследований можно отнести выявление определяющей роль степени концентрационной неоднородности и значения среднего относительного объема пор исходных порошковых компактов на кинетику физико-химических процессов, режимы их развития и структуру продуктов физико-химических превращений. Построенная модель реакционной ячейки позволяет учесть изменение реакционной способности смеси, изменение концентрационно-фазового состава и самосогласована со степенным законом реакционной диффузии для твердофазных химических превращений.

Ударное нагружение реагирующих порошковых материалов, позволяет объединить технологические процессы механической активации, формования и инициирования химических превращений. Основные процессы, контролирующие ударно-запущенные химические реакции в порошковых смесях и приводящие к синтезу новых соединений, происходят, главным образом, за менее чем микросекундные периоды времени действия высоких давлений, деформаций и температур. Однако в настоящее время практически отсутствуют теории, адекватно описывающие основные механизмы процесса ударного синтеза, механическую активацию, фазовые переходы и критические условия реализации реакций за столь короткие характерные времена.

Актуальной задачей является в этой связи развитие модели динамического уплотнения реагирующих порошковых систем, учитывающей весь спектр физических процессов, сопровождающих химические превращения.

Теоретическое развитие метода анализа параметров состояния химически реагирующих дисперсных систем в условиях динамического компактирования, режимов запуска сверхбыстрых твердофазных химических процессов актуально для развития современной теории процессов в порошковых материалах и является практически значимой задачей.

Практическая значимость исследования заключается в развитии метода оценки условий и режимов формирования композитов заданной структуры в процессе динамического уплотнения реагирующих порошковых материалов, технологических режимов получения перспективных конструкционных материалов и покрытий в процессе ударного синтеза интерметаллидов, карбидов и боридов тугоплавких металлов для ОКР «Индустрия наносистем и материалов», в том числе в интересах создания технологий синтеза тугоплавких и окалиностойких покрытий лопаток газовых турбин турбореактивных двигателей и энергетического оборудования, технологий получения боридов тяжелых металлов для атомной энергетики, развития современных подходов исследования технологических параметров ударного синтеза.

Цель:

Развитие теории физико-химических процессов в динамически нагруженных химически реагирующих твердофазных системах для исследования процессов динамического уплотнения многокомпонентных реагирующих порошковых компактов со структурой и прогнозирования параметров состояния реагирующей порошковой среды, оценки условий реализации нестационарных физико-химических процессов на фронте ударного импульса.

Задачи:

разработать критерий инициирования нестационарных физикохимических превращений на фронте ударного импульса, исследовать условия реализации сверхбыстрых твердофазных химических превращений в многокомпонентных реагирующих системах, исследовать определяющие факторы формирования микро- и наномасштабных субструктур продуктов синтеза при ударном нагружении реагирующих твердофазных смесевых компактов, построить модель деформируемого порошкового химическиреагирующего твердого тела с учетом характеристик структуры концентрационной неоднородности исходной смеси реагирующих компонентов и инертного наполнителя, кинетики развития повреждаемости и фазовых переходов компонентов, механической активации, условий реализации сверхбыстрых химических превращений, возможности образования жидкой и газовой фаз легкоплавкого компонента, условий формирования микро- и наноструктурного состояния синтезируемого композиционного материала.

Научная новизна 1. В представленной диссертационной работе разработана новая модель химически реагирующего порошкового деформируемого твердого тела со структурой. В модели впервые учитываются:

неоднородность пластического деформирования порошковых частиц, а значит негомогенность степени активации реагирующих компонентов;

существование инкубационных времен фазовых переходов;

возможность образования газовой фазы какого-либо компонента смеси;

кинетика развития повреждаемости;

полидисперсность реальных порошков;

стохастический характер структуры реальных порошковых смесей.

2. Разработан новый комплексный критерий реализации нестационарного («турбулентного») процесса динамического уплотнения реагирующей порошковой смеси, определяющий необходимые условия реализации сверхбыстрых физико-химических превращений во фронте ударного импульса.

3. Впервые теоретически показано, что В ультрадисперсных порошковых реагирующих материалах возможно формирование наноразмерных субструктур продукта реакции.

Структура ударносинтезируемого композита представляется слоями продукта реакции и исходных реагентов, не зависит от амплитуды динамического воздействия и определяется исходной структурой реагирующего порошкового тела.

Существует диапазон изменения степени концентрационной неоднородности реагирующих смесей, внутри которого возможна реализация сверхбыстрых процессов синтеза на фронте ударного импульса.

Существует пороговое значение средней пористости исходного компакта, превышение которого приводит к существенному росту концентрации зон нестационарного режима уплотнения.

Учет кинетики развития повреждаемости материала порошковых частиц и инкубационных времен фазовых превращений материала компонентов существенен для адекватного моделирования физико-химических процессов в реагирующих средах при динамическом нагружении.

Для реагирующей смеси типа Zr-B испарение одного из компонентов (бора) является определяющим фактором физико-химических процессов.

Выполнение подобных исследований обеспечит развитие механики деформируемого химически реагирующего твердого тела, существенное расширение числа реагирующих порошковых систем как объектов компьютерного моделирования, изучение сверхбыстрых твердофазных превращений на фронте ударного импульса, развитие современной теории физикохимических процессов в порошковых материалах, поможет становлению нового фундаментального научного направления: теории ударного синтеза композиционных материалов с микро- и наноскопической структурой.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель химически реагирующего порошкового деформируемого твердого тела стохастической структуры типа Ni-Al, Ti-C, Zr-B, учитывающая характеристики структуры, кинетику развития повреждаемости и фазовых переходов в компонентах, условия реализации сверхбыстрых физикохимических превращений. Для адекватного моделирования физикохимических процессов в реагирующих средах при динамическом нагружении необходим учет инкубационных времен фазовых превращений материала компонентов. Для достоверного моделирования физикохимических процессов в реагирующей смеси типа Zr-B необходимо учитывать испарение бора.

2. Положение об определяющем влиянии неоднородности пластического деформирования и кинетики развития повреждаемости материала порошковых частиц на характер механической активации порошковых компонентов реагирующей смеси во фронте ударного импульса. Для малых значений пористости и низких амплитуд ударного импульса возможно существование ядра порошковых частиц, не претерпевающего пластическую деформацию, а значит, механически не активированного. Неоднородность пластического деформирования вместе с инкубационным временем, мгновенным и текущим уровнем повреждаемости материала порошковых компонент определяют негомогенность степени активации реагирующей смеси по объему частиц и по времени действия ударного импульса.

3. Комплексный критерий реализации нестационарного процесса динамического уплотнения реагирующего порошкового деформируемого твердого тела на фронте ударного импульса, определяющий необходимые условия развития сверхбыстрых физико-химических превращений и условия формирования субструктуры порошкового компакта. Критерий объединяет условия малости степени химических превращений, достижения требуемой степени механической активации, выполнения статистического критерия нестационарности.

4. Результаты исследования влияния параметров, характеризующих макроскопическую структуру исходных порошковых компактов (размеров порошковых частиц, средней пористости и степени концентрационной неоднородности), на структуру локализованных зон нестационарного динамического уплотнения.

5. Существует пороговое значение пористости исходного реагирующего порошкового компакта, переход через которое определяет существенный рост относительного объема материала, уплотняемого на фронте ударного импульса в нестационарном режиме.

6. Метод анализа и схема компьютерного моделирования процессов динамического уплотнения реагирующих порошковых тел указанного типа.

Апробация работы Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры механики деформируемого твердого тела и кафедры прочности и проектирования ТГУ, на следующих конференциях: 1. International Conference “Shock Waves in Condensed Matter” (Saint-Peterburg, Russia, 2000). 2. VI International Conference “Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies” (CADAMT’2001) (Tomsk, 2001). 3. International Conference “Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies”. (Novosibirsk, Russia, 2001). 4. X Семинар Азиатско-тихоокеанской академии материалов и III Конференция (Новосибирск, 2003). 5. VII Internatioal Conference “ComputerAided Design of Advanced Materials and Technologies” – CADAMT’20(Tomsk, Russia, 2003). 6. Международная конференция «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании». (Алматы, 2004). 7. XIII Симпозиум по горению и взрыву. (Черноголовка, 2005). 8. XIX Всероссийская конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности. (Бийск, 2005). 9. VII Всероссийская конференция «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем». (Москва, 2005). 10. Международная конференция « Неизотермические явления и процессы». (Ереван, Армения 2006). 11. V Международная конференция по механохимии и механическому сплавлению INCOME -2006. (Новосибирск, 2006). 12. IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. (Нижний Новгород, 2006). 13. II Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО 2007» (Новосибирск, 2007). 14. IX International Symposium on Self-propagating Hightemperature Synthesis. (Dijon, France, 2007). 15. IV Международный симпозиум «Горение и плазмохимия». (Алматы, Казахстан, 2007). 16. XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. (Москва, 2007). 17. I Международная научная конференция Наноструктурные материалы – 2008: Беларусь – Россия – Украина (НАНО-2008). (Минск, 2008). 18. VI Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», (Томск, 2008). 19. Международная школа-семинара «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике» (Томск, 2008). 20. XIV Симпозиум по горению и взрыву. (Черноголовка, 2008).

Публикации. Основное содержание и результаты диссертации опубликованы в 103 печатных работах, из них 2 монографии и 20 статей в реферируемых журналах.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы; содержит 49 рисунков, 8 таблиц, библиографический список из 368 наименований – всего 281 страница.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована практическая значимость и актуальность исследуемой проблемы, сформулированы задачи исследования, перечислены новые результаты, представлены положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. Раздел работы посвящен аналитическому обзору исследований реагирующих порошковых материалов. Рассмотрены исследования проблем синтеза материалов методами технологического горения порошковых смесей. На основе анализа известных работ выявлены основные закономерности механохимических превращений в порошковых системах и факторы, влияющие на режимы и условия их протекания.

Рассмотрены работы, посвященные исследованию механической активации порошковых материалов. Проанализированы результаты исследований кинетики превращений в реагирующих порошковых смесях в условиях интенсивного механического нагружения. Рассмотрены модели компактирования и спекания порошковых тел, особенности поведения порошковых материалов при ударном нагружении. Рассмотрены методы моделирования химических процессов в порошковых системах и синтеза материалов в условиях интенсивного механического воздействия. Описаны процессы структурообразования при ударном нагружении материалов. Проанализированы основные достижения в области механики композитов и способах определения эффективных свойств структурно-неоднородных материалов. Рассмотрены современные тенденции в области исследований свойств наноструктурных материалов и способы их получения.

На основе анализа известных работ в области синтеза материалов методами порошковой металлургии можно выделить основные закономерности механохимических превращений в реагирующих порошковых системах и сделать вывод о многообразии факторов, определяющих повышение скорости механохимических превращений и понижение порога их инициирования.

Экспериментально наблюдается повышение реакционной способности материалов, приводящее к снижению порога инициирования реакции, температуры превращений и к уменьшению продолжительности взаимодействия компонентов, при интенсивном механическом воздействии. Среди процессов механического активирования частиц реагирующих компонентов определяющими можно считать пластическое деформирование кристаллической структуры материала и разрушение поверхностных слоев (окисных и адсорбированных) частиц, а также повышение коэффициента температуропроводности при модификации порошкового тела действием ударного импульса.

Экспериментально обнаруженные С.С. Бацановым сверхбыстрые химические ударно-запущенные химические превращения за интервал времени порядка 10-8 секунды возможны при реализации нестационарного процесса динамического уплотнения гетерогенной смеси на фронте ударного импульса. Моделирование нестационарных физико-химических процессов на фронте ударного импульса, сопровождающих химические превращения за столь короткие интервалы времени требует развития теоретических подходов к определению условий наступления нестационарного состояния, обеспечивающего сверхбыстрый массоперенос компонентов смеси. При этом вследствие малости рассматриваемых характерных времен процессов, актуальным становится проверка необходимости учета кинетики развития механической повреждаемости материала компонентов, обеспечивающей механическую активации, а также учета существования инкубационных времен фазовых переходов.

Аналитический обзор исследований реагирующих порошковых материалов позволяет заключить, что для исследования процессов динамического уплотнения многокомпонентных реагирующих порошковых компактов со структурой, прогнозирования параметров состояния реагирующей порошковой среды и оценки условий реализации нестационарных физико-химических процессов на фронте ударного импульса, необходимо развитие теории физико-химических процессов в динамически нагруженных химически реагирующих твердофазных системах.

Вторая глава посвящена формулировке физической модели реагирующей порошковой среды и постановке математической задачи. В основу моделирования физико-химических процессов в реагирующей порошковой среде положена концепция физического моделирования, развитая на кафедре МДТТ ТГУ, позволяющая комплексно учитывать особенности исходной структуры реальной порошковой смеси и возможные физические механизмы тепло- и массопереноса, фазовых переходов, релаксации напряжений и т. п., обеспечивающие эволюцию структурно-фазового состояния смеси и ее реакционной способности на всех этапах синтеза.

Учитывается, что интенсивное механическое воздействие на порошковое тело приводит к его модификации за счет изменения структуры порошкового тела (уплотнение и, как следствие, уменьшение размера реакционной ячейки повышение коэффициента теплопроводности), пластической деформации, разрушения оксидных и адсорбированных слоев на поверхности частиц. Следствием этих процессов является изменение реакционной способности реагирующей смеси – механическая активация, что способствует инициированию химических превращений и росту интенсивности взаимодействия. Учитывается инкубационное время, мгновенный и текущий уровень повреждаемости материала порошковых компонентов, а значит кинетика механической активации.

Необходимым условием реализации сверхбыстрых превращений в микрообъемах считается выполнение критерия запуска неравновесных процессов уплотнения, объединяющего условия малости степени химических превращений, достижения требуемой степени механической активации, выполнения статистического критерия нестационарности. Течения в поперечном направлении обеспечивают конвективный перенос компонентов в микрообъемах реагирующей смеси, поэтому критерий нестационарности определяет одно из необходимых условий формирования субструктуры продуктов синтеза и саму возможность реализации химических превращений на фронте ударного импульса.

Вызванный экзотермичностью механохимических превращений локальный прогрев может определять фазовые переходы и изменение агрегатного состояния компонентов гетерогенного порошкового тела – плавление легкоплавкого компонента. В физической модели в зонах расплава реагирующая порошковая среда представляется твердофазным каркасом, насыщенным жидкой фазой легкоплавкого компонента. Для отдельного компонента порошковой смеси допускается возможность испарения. Расплав легкоплавкого компонента порошкового смеси может перемещаться в пористом твердофазном каркасе под действием градиента порового давления, обеспечивая конвективный тепло- и массоперенос в продольном направлении.

Концентрации компонентов в процессе подготовки смеси всегда имеют разброс значений, удовлетворяющих некоторому закону распределения. Стохастический характер макроскопической структуры концентрационной неоднородности может быть определен функцией распределения размеров агломератов частиц - локальных характеристик степени неоднородности смеси порошковых компонентов. Эффективные свойства реагирующего материала определяются характеристиками элементов представительной выборки стохастического ансамбля реагирующей смеси. Каждый элемент такой выборки представляет отдельную реакционную ячейку порошковой среды. Локальные характеристики стохастической реагирующей порошковой смеси – свойства элементов представительной выборки - исследуются методом компьютерного моделирования физико-химических процессов в слое реагирующей порошковой смеси постоянной толщины с регулярной макроскопической структурой концентрационной неоднородности.

Реагирующий слой рассматривается в виде последовательности элементов макроскопической структуры концентрационной неоднородности – реакционных ячеек. Считается, что смесь, имеющая заданную в среднем концентрацию компонентов, неоднородна по длине b элемента структуры с размерами aab – реакционной ячейки – как это представлено на рисунке 1.

Концентрационная неоднородность по объему ячейки макроскопической структуры порошковой смеси, рассматривается тоже в главном направлении изменением концентрации порошковых компонентов смеси и относительного объема пор в направлении b, в предположении, что заданная доля легкоплавкого компонента сконцентрирована у левой грани ячейки aa в ее части размером d0, определяемым характерным размером агломератов частиц. В этом случае для заданного характера функций распределения объемных концентраций компонентов смеси (ступенчатого или параболического, например), параметр b/a может служить характеристикой степени макроскопической концентрационной неоднородности элемента представительной выборки. Предлагается рассматривать введенную таким образом ячейку макроскопической структуры концентрационной неоднородности в качестве локального представительного объема стохастической реагирующей порошковой среды, представляя структурно-неоднородный порошковый материал как микронеоднородный композит. Модельная структура слоя порошковой смеси представлена на рисунке 1 вместе с моделью реакционной ячейки.

y x z a a b а) б) Рисунок 1 – Исходная модельная структура порошкового слоя: а) геометрическая модель реакционной ячейки, б) структура порошкового слоя для моделирования физико-химических процессов Положение о постоянстве всех эффективных характеристик сечений представительного объема определяет условие тепловой гомогенности в сечениях aa, что позволяет формулировать основные законы сохранения для микрообъемов реакционных ячеек как законы сохранения для микрослоев относительно локальных свойств компонентов и эффективных параметров микрослоев порошкового материала в сечениях реагирующего слоя.

Моделирование механохимических процессов ударного синтеза включает в себя моделирование процессов теплопереноса в реагирующем слое, процессов ударной модификации порошкового тела, массопереноса и химических превращений. Учитывается возможность реализации различных режимов протекания механохимических процессов ударного синтеза. Допускается, что синтез может осуществляться в режимах твердофазного горения или превращений в присутствии жидкой и газовой фаз легкоплавкого компонента смеси.

Для того чтобы охарактеризовать состояние системы в определенный момент времени, в многофазных системах используют осредненное описание движения. При этом вводятся понятия многоскоростного континуума и взаимопроникающего движения его составляющих. Считается, что многоскоростной континуум состоит из отдельных континуумов, каждый из которых относится к определенной фазе вещества и заполняет фиксированный объем всей системы.

Моделирование процессов ударной модификации реагирующей порошковой среды проводится с позиций микромеханики композиционных материалов с использованием энергетического подхода. Исследуется изменение структурно-фазовых характеристик и параметров состояния ячейки макроскопической структуры концентрационной неоднородности, рассматриваемой в качестве представительного объема реагирующей порошковой среды, от исходного состояния до состояния за фронтом единичного импульса сжатия. При этом в качестве эффективных механических параметров конечного состояния порошкового компакта рассмотрены характеристики пористой среды за фронтом ударного импульса, предложенные в [1]:

U vimp [ai (1 0)Dp ]/ 2bi {[ai (1 0)Dp ]2 / 4bi 2 (1 0)vimp Dp /bi}1/ 2, f Pf 1 0 0DpU, f (1) 1 0 0 Dp Dp U , f f Wf W0 U 2, f где Dp – скорость ударного импульса в пористой среде, Uf – массовая скорость, Pf – давление на фронте ударного импульса, W0 и Wf – удельные внутренние энергии среды до и после ударного нагружения, 0 и f – плотности материала перед фронтом ударного импульса и за фронтом, П0- начальный относительный объем пор, аi и bi - параметры ударной адиабаты, vimp- скорость «эквивалентного» ударника.

Считается, что в процессе ударного перехода запасенная энергия ударного импульса диссипирует по различным механизмам, смена которых для каждого компонента смеси моделируется поэтапно. Представляется, что на первом этапе всегда реализуется сферически-симметричный механизм схлопывания пор, затраты энергии на который оцениваются с привлечением модели единичной ячейки В.Ф. Нестеренко [2] (Рисунок 2). Центральная часть составной модельной сферы с радиусом c представляет собой недеформируемую область частицы порошка на стадии процесса схлопывания поры.

2R б) a) Рисунок 2 – «Реальный» материал (а), модель В.Ф. Нестеренко (б) Геометрические параметры модели единичной ячейки В.Ф. Нестеренко имеют вид:

' d d d an ' ' 3 b0 0 ; a0 ; c 2 0 ; 0 1, ' 2 2 2 a где d – диаметр частицы.

Первый этап ударного компактирования характеризует стационарный процесс упругопластического уплотнения пористого порошкового компакта.

В модифицированной модели может быть определена удельная энергия Wд, диссипируемая в окрестности поры на стадии ее схлопывания, для случая, когда можно пренебречь процессами вязкого течения [2]:

2Tcp Wд Hx0 Hx1, Hx ln x 1, 3s 1 1 x0 ; x1 ;

0 1 1Считается, что для каждого материального компонента первый этап завершается при достижении предельного значения деформации.

На последующих этапах уплотнения энергия ударного импульса расходуется на разрушение поверхностных слоев частиц и реализацию нестационарных режимов компактирования. Разница между всей запасенной удельной энергией сжатия W, определяемой из соотношений (1) и удельной энергией Wд, диссипируемой в окрестности сферической поры на стадии ее схлопывания, представляет собой микрокинетическую энергию: Wk=W-Wд. Она расходуется на совершение работы очищения поверхностных контактных слоев частиц и, возможно, уплотнения порошкового материала за счет того, что в поверхностных слоях частиц возникает жидкоподобное поведение материала [2]. С увеличением импульса приложенной нагрузки доля диссипированной энергии, потраченной на пластическую деформацию и вязкое затекание пор, в общей энергии ударного перехода уменьшается, а значит, растет доля энергии ударного импульса, которая может быть израсходована на разрушение поверхностных слоев частиц.

Работа разрушения поверхностных слоев частиц оценивается по формуле Ирвина:

2 1 A* 1 E KIC.

Здесь А* – работа увеличения площади трещины на единицу, KIС – предельное значение коэффициента интенсивности напряжений – трещиностойкость материала, E – модуль Юнга, – коэффициент Пуассона.

Учет существования инкубационного времени разрушения, мгновенной и текущей повреждаемости материала частиц порошковой смеси, позволяет адекватно моделировать процесс ударной модификации на фронте ударного импульса. Для учета кинетики развития повреждаемости порошковых компонентов модель порошковой среды уточнена введением структурновременного критерия, предложенного в работах Петрова [3, 4]. При этом разделяются мгновенная составляющая повреждаемости частиц реагирующих компонентов на фронте ударного импульса 0 и повреждаемость материала , накопленная за инкубационное время . Такой подход позволяет рассматривать «стартовый» и текущий уровни ударной активации реагирующих порошковых компонентов.

Зависимость между амплитудой приложенной нагрузки р и уровнем мгновенной повреждаемости 0 представляется в виде [3]:

p t t0 B, где В – предел прочности компонента порошковой смеси.

Дальнейшее развитие повреждаемости материала определяется инкубационным временем разрушения компонентов порошковой смеси [4]:

2 KIc c B, где с – скорость упругих волн.

В качестве предела повреждаемости выбирается условие, при котором поверхность разрушения занимает все поперечное сечение лабораторного образца: t 1.

Кинетическое уравнение повреждаемости представляется в виде:

d 1 dt t.

Для описания тепловых процессов в насыщенной жидкой фазой легкоплавкого компонента реагирующей порошковой среде предлагается использовать двухтемпературные уравнения теплового баланса для температур каркаса и жидкости. Если выполняются предпосылки фильтрации расплава, то эти температуры различаются. В таком приближении температурный режим реагирующего тела определяется температурными профилями Ts твердофазного каркаса (состоящего из твердых реагентов и продуктов синтеза) и Tl - жидкой фазы. Уравнения теплового баланса в этом случае представляются в виде:

s s 1 l csTs fT Ts Tl 1 l T qv qv, s t x x (2) lclTl Tl Tl l fT Ts Tl l clGl.

l t x x x Здесь s – эффективная плотность материала каркаса, l – плотность жидкой фазы легкоплавкого компонента порошковой смеси, сS – эффективная теплоемкость материала твердофазного порошкового каркаса при отсутствии деформации, cl – теплоемкость расплава легкоплавкого компонента каркаса при отсутствии деформации, Пl – эффективная пористость каркаса, – коэффициент объемного внутреннего теплообмена между жидкой фазой и каркасом, s, – эффективный коэффициент теплопроводности материала каркаса, l, – коэффициент теплопроводности жидкой фазы, Gl lv – расход жидкой фазы, fT – относительная поверхность теплообмена в сечении порошкового слоя, v – скорость фильтрации расплава легкоплавкого компонента.

Начальные условия: t t*, Tl TS T0x (3) где T0(x) – исходное распределение температуры по толщине реагирующего слоя на момент времени t*.

Граничные условия:

Ts Tl ~ x 0, Ts Tl T, x nb, 0, 0.

x x (4) Введенный в уравнение (2) параметр 0

Для моделирования процесса установления теплового баланса при эндотермическом фазовом переходе допускается, что действие стоков энергии qv– инициируется при достижении температуры пороговых значений фазовых превращений и компенсирует источники тепла механической и химической природы qv+ до полного совершения работы фазовых переходов - исчерпания затрат на фазовый переход в каждом микрообъеме реагирующего материала.

Источники тепла химической природы определяются скоростью экзотермической реакции и ее тепловым эффектом Q:

z qv1 Q t Выражение для скорости химических превращений представляется в виде:

z k0 exp(Ea / RT )(z) T, z, (5) t где Т – температура, R – универсальная газовая постоянная, Еa – энергия активации (энергия, которой должна обладать молекула, чтобы прореагировать), k0 – предэкспоненциальный множитель.(z) – функция торможения.

Макрокинетическая функция торможения (z) в случае горения при наличии жидкой фазы может быть представлена в виде [6]:

m1 n z 1 z, где n принимает значение 1, 2 или 3 в зависимости от того, одно-, двух- или трехмерный фронт перемещается внутрь тугоплавкого каркаса, m принимает значение 1 или 2. Случай m=1 дает уравнения сокращающейся поверхности и реализуется при большом избытке легкоплавкого компонента; m=2 получается для стехиометрических смесей при учете изменения концентраций легкоплавкого компонента в ходе реакции.

Для реакций порошковых материалов по твердофазному типу из параболического закона реакционной диффузии получается уравнение макрокинетики химических превращений с макрокинетической функцией торможения в виде [7] (z)=0,5z-1.

Предэкспоненциальный множитель k0 в уравнении макрокинетики определяется по экспериментальным значениям скорости превращений рассматриваемой реагирующей смеси «эталонной» структуры. С учётом того, что толщина образовавшегося слоя продукта реакции изменяется по степенному закону предэкспоненциальный множитель определяется из экспериментов с множителем, зависящим от размера структуры: k0=k/bn, где k -значение k0, отвечающее ячейке единичной толщины.

Изменение реакционной способности порошковой смеси при механическом воздействии учтено заданием в уравнении (5) переменного макрокинетического параметра энергии активации в виде линейной функции от работ пластической деформации и разрушения поверхностных слоев порошковых частиц реагирующих компонентов:

Ea E0 HP Pi*i Ai, (6) Eгде – параметр энергии активации превращений рассматриваемой реагирующей смеси в отсутствии механического воздействия; Н – функция Хевисайда; Pi* – критические значения давления Р=Р(t) на фронте ударного импульса, определяющие включение того или иного механизма активации; i параметры, определяющие вклад работы механического воздействия Ai, изменяющей, по i-му механизму, реакционную способность смеси.

При этом принимается, что вклад от различных механизмов активации в Еа является аддитивным. Коэффициенты i являются согласующими и могут быть определены при моделировании лабораторных экспериментов.

Как уже отмечалось, механическая активация определяется изменением параметра энергии активации в зависимости от работ пластического деформирования и разрушения поверхностных слоев частиц реагирующих компонентов в виде (6). Остальная часть энергии ударного импульса переходит в тепло, определяя источники тепла механической природы в уравнении (2).

Интенсивный механический и реакционный разогрев гетерогенного материала в некоторый момент времени может привести к плавлению легкоплавкого компонента смеси, возможно, только в отдельных зонах порошкового слоя. Зоны расплава легкоплавкого компонента реагирующего слоя представляются насыщенным жидкостью каркасом со сквозной пористостью, образованным тугоплавкими компонентами и продуктами реакции, в котором возможно движение жидкофазного компонента. Степень насыщенности каркаса жидкой фазой определяется относительной долей объема пустот, занятой расплавом. Считается, что процессы фазовых переходов первого рода характеризуются некоторым инкубационным периодом [8]. По аналогии с функцией поврежденности материала предлагается ввести функцию, характеризующую степень перехода материала из одного фазового состояния в другое.

В случае выполнения условия вынужденной фильтрации расплава – наличия открытой пористости каркаса твердофазных компонентов, решается задача о конвективном массопереносе жидкой фазы в продольном направлении под действием термокапиллярных сил. При определении расхода жидкости используется решение уравнения Дарси, с коэффициентом проницаемости К, полученной для модельного пористого тела, состоящего из однородных твердых сферических частиц диаметром d:

v Pж2 d 1801 .

(7) где Рж – давление жидкости, М – динамическая вязкость расплава.

Динамическая вязкость расплава легкоплавкого компонента зависит от температуры и определяется по экспоненциальному закону:

М0exp(Е /RT), где 0 – значение вязкости при температуре плавления, Е – энергия активации в экспоненциальном законе изменения вязкости.

Считается, что движение жидкости возможно при наличии свободной пористости (ППmin). Поровое давление жидкости Ptk, вызванное действием термокапиллярных сил, определяется разностью коэффициентов температурного расширения компонентов t и величиной открытой пористости Пот:

Ptk CBtB CAtA CABtAB oт T T0 E.

1 2 При действии ударного импульса к термокапиллярному давлению добавляется действие импульса динамической нагрузки, определяемое согласно уравнению:

Pf 1 0 0DpU Pk, f где Pk – несущая способность каркаса.

В представлении о «жесткопластическом» поведении каркаса, его несущая способность может быть оценена эффективным пределом текучести гетерогенной среды, определяемой, в свою очередь, по закону смеси:

i Pk CiT, i где T – предел текучести i-ого компонента смеси.

Предлагается рассматривать комплексный критерий реализации условий нестационарных физико-химических процессов синтеза, способствующих инициированию и протеканию сверхбыстрых превращений. Комплекс условий составляют требования малой (но не нулевой) степени химических превращений, достижения требуемого уровня механической активации компонентов смеси, реализации струйного режима уплотнения в начальный момент выполнения критерия нестационарности, при выполнении которого волновое движение среды характеризуется резким затуханием массовой скорости в направлении движения ударного импульса [9]:

D D 1, u u Ea Eaz zm, , RT RT min, s.

(8) Здесь zm– значение степени превращений, характеризующее начальную стадию синтеза, Пmin – минимальное значение пористости, s– деформация, отвечающая сферически-симметричному режиму уплотнения, С момента перехода к нестационарному режиму диссипативные процессы динамического уплотнения реализуются развитием вихревых структур. Поперечные течения обеспечивают конвективный перенос компонентов (реагентов и продукта химических превращений в том числе) в микрообъемах реагирующей смеси, поэтому критерий нестационарности определяет одно из необходимых условий формирования микро- и наноскопической субструктуры продуктов ударного синтеза и саму возможность реализации химических превращений на фронте ударного импульса.

В третьей главе изложен метод анализа и схема компьютерного моделирования поставленной задачи исследования. Для моделирования поведения реагирующих порошковых тел при ударном нагружении решается ряд сопряженных задач теплопереноса, ударной модификации порошкового тела, фильтрации жидкой фазы легкоплавкой компоненты и макрокинетики химических превращений. Моделирование процессов ударной модификации реагирующей порошковой среды проводится с использованием энергетического подхода. При этом из части кинетической энергии ударного импульса, диссипированной в порошковое тело, выделяются составляющие, затраченные на реализацию различных физических механизмов модификации порошковой смеси. Считается, что накопление энергии во время действия ударного импульса происходит с постоянной скоростью. Предполагается, что запасенная энергия первоначально расходуется на совершение работы пластического деформирования частиц гетерогенной среды в окружающие их поры, а в дальнейшем расходуется на реализацию струйных течений в порошках, вызывающих разрушение поверхностных слоев частиц порошкового тела. В локальных микрообъемах реакционной ячейки процесс пластического затекания пор оценивается для гетерогенной среды покомпонентно на каждом шаге по времени с использованием модифицированной модели пористой среды Нестеренко. При этом считается, что действие ударного импульса в локальных точках реагирующего слоя на шаге приращения энергии ударного импульса приходится на порошковую среду с текущими значениями пористости, температуры, концентраций компонентов, степени химических превращений и других параметров состояния. Полагается, что работа пластического течения переходит в тепло, определяя источники в уравнении теплопроводности. Энергия ударного импульса, неизрасходованная на пластическую деформацию частиц, может расходоваться на работу очистки поверхности частиц от оксидных и адсорбированных слоев. Учитывается инкубационное время, мгновенный и текущий уровень повреждаемости материала порошковых компонентов, а значит кинетика механической активации. Прогрев реагирующей смеси и механическая модификация в процессе ударного перехода способствуют преодолению порога инициирования химических превращений и определяет их кинетику. Скорость химических превращений определяется уравнением макрокинетики Аррениусового типа с переменными характеристиками в каждый момент времени для локальных микрообъемов среды.

Учитывается повышение реакционной способности порошковой системы за счет изменения размеров тела и уменьшения энергии активации химических превращений в процессе ударного уплотнения, эволюции фазового и концентрационного состояния смеси. Скорость фильтрации и степень массопереноса оценивается для двух соседних микрослоев реагирующего слоя с привлечением закона Дарси. При таком определении расхода жидкости вводится одно из естественных ограничений на допустимую величину шага по времени. Для реагирующей смеси, характеризуемой возможностью изменения всех макрокинетических функций, требование малости превращений определяет второе естественное ограничение величины шага по времени.

Все теплофизические параметры каркаса определяются на мезоскопическом уровне с позиций механики реагирующего зернистого слоя. Процессы ударной модификации порошкового тела моделируются с позиций механики пористых гетерогенных упругопластических сред на различных структурных уровнях. Изменение температуры в реагирующем порошковом теле моделируется краевой задачей теплопереноса для слоя, состоящего из последовательности реакционных ячеек. На фоне общего прогрева в локальных объемах решаются задачи ударного перехода, макрокинетики химических превращений и фильтрации. Все характеристики порошковой среды определяются как эффективные функции от теплофизических характеристик компонентов смеси, их концентраций, фазового состояния, пористости и температуры для локальных объемов рассматриваемых реакционных ячеек. Характеристики порошковой среды изменяются при ударной модификации смеси, в процессе прогрева, при изменении фазового состояния, возможной фильтрации жидкой фазы и химических превращениях.

На основе созданной модели разработана схема решения связанных задач механической модификации порошковой смеси в процессе ударного нагружения, макрокинетики химических превращений, теплового баланса и фильтрации жидкой фазы. Все параметры модели уточняются итерационно на каждом шаге по времени. Учитывается изменение концентрации компонент, пористости и фазового состава. Оцениваются статистические параметры процессов динамического уплотнения в локальных микрообъемах порошковой среды. Особенностями используемой схемы компьютерного моделирования являются:

учет эволюции структурных параметров порошковой среды, параметров термодинамического состояния, физических свойств материала и реакционной способности смеси реагирующих компонентов и инертного наполнителя на всех этапах механохимических превращений;

рассмотрение решения связанных задач механики деформируемого твердого тела, теплового баланса, массопереноса и химической макрокинетики на разных структурных уровнях;

энергетический метод оценки возможности запуска и степени реализации физико-химических процессов в порошковом теле с позиций микромеханики композиционных материалов;

применение аналитических и численных решений модельных краевых задач, встроенных в дискретную схему компьютерного моделирования.

Ключевыми этапами обеспечения достоверного прогноза параметров состояния реагирующих сред в процессе вычислительного эксперимента являются:

моделирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, выбор относительных размеров расчетной сетки dx / dt по временной и пространственной переменным, рассмотрение предела последовательности решений на вложенных сетках в качестве результата вычислительного эксперимента, текущий контроль применимости закона фильтрации.

Приведена схема решения нестационарной краевой задачи теплопроводности, имеющая порядок O(h2)+O(). Проведена оценка достоверности получаемых результатов, подтверждена сходимость схемы и достижение указанного порядка аппроксимации.

Достоверность результатов построенной методики, реализующей разработанный алгоритм решения нестационарных задач теплопереноса, проверена на решении задачи теплопроводности, имеющей аналитическое решение. Такой краевой задачей может служить одномерная задача теплопроводности с постоянными коэффициентами. Рассмотрена задача об определении температуры стержня длиной L с теплоизолированной боковой поверхностью, если один его конец поддерживается при заданной фиксированной температуре, а на другой конец подается извне заданный постоянный тепловой поток. Результаты расчета температуры в момент времени t= 2.5 с, полученные численно при решении тестовой задачи с помощью разработанной методики при шаге по пространству h=L / 90 и шаге по времени =5 *10-4 c, приведены в таблице 1 вместе с расчетами температуры, полученной аналитически.

Таблица 1.

x, см Т, K Ts, K аналитическое численное 0.393 1121.40 1121.3.930 684.425 684.3Результаты расчетов показали, что максимальная относительная погрешность приближенного решения для заданных шагов по времени и пространству во всех узловых точках не превышает 0,005%.

Сходимость построенной вычислительной схемы показана на примере вычислительного эксперимента по моделированию ударного синтеза в порошковой системе Ni+Al для параметров структуры b/a=1,5; П0=0,4;

dNi=dAl=10 мкм с исходной температурой 293 К под действием ударного импульса амплитудой 2 ГПа и длительностью 1 мкс. Рассмотрены следующие значения числа разбиений реакционной ячейки (размера b) n и соответствующие им шагах по времени : n=90, =1,0·10-11 c; n=180, =5,0·10-12 c;

n=360, =2,5·10-12 c. Интегральными характеристиками процесса механохимических превращений в гетерогенной порошковой смеси могут служить параметр массового выхода продукта реакции на момент времени 10 мкс, 0,стартовая интенсивность химических превращений, относительный объем зон выполнения критерия нестационарности , результаты вычисления которых представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Число раз360 / 2,5·10биений / шаг по 90 / 1,0·10-11 12 180 / 5,0·10времени 0,4287 0,4419 0,4 0,0,06077 0,06135 0,062, мкс-0,072 0,05 0,0 Наблюдается сходимость результатов методики компьютерного моделирования, реализующей изложенную выше модель реагирующей порошковой смеси.

На рисунке 3 представлены зависимости указанных выше интегральных характеристик процесса от числа разбиений реакционной ячейки n (рис.

3 а)-3 в)).

. t=10 MKC .

0.45 0..

0.0.0.0.0.0.t=5 MKC. 0.0. 0.0.0 100 200 300 n 0 100 200 300 n 0 100 200 3n а) б) в) Рисунок 3 – Оценка сходимости вычислительной схемы Из представленных результатов можно сделать вывод о сходимости вычислительной схемы моделирования механохимического поведения многокомпонентных реагирующих порошковых сред, подвергнутых воздействию ударного импульса.

Достоверность результатов компьютерного моделирования механохимических процессов в ударно нагруженных химически реагирующих порошковых смесях подтверждена сравнением прогнозируемых условий ударного запуска химических превращений и степени химических превращений вещества в порошковой системе Ti - C с известными экспериментальными данными. В работах Ю.А. Гордополова [10] приведены результаты экспериментальных исследований поведения ударно нагруженной порошковой смеси Ti – C при различных амплитудах ударного воздействия. Экспериментальные результаты показали, что в области давлений 5,6 ГПа химические реакции в рассматриваемой порошковой смеси не инициируются. С ростом амплитуды ударного импульса при давлениях, существенно превышающих 5,6 ГПа, наблюдается реализация ударно-волнового режима синтеза. При этом послойный характер химических превращений вещества обеспечивается в процессе инициирования соседних слоев и распространение зоны реакции по веществу за счет ударного сжатия и высокоскоростного деформирования вещества.

Ударно-волновой режим синтеза карбида титана при значениях амплитуды давления ударного импульса, больших 5,6 ГПа, подтверждается в превышением экспериментально определенной кривой ударного сжатия порошковой смеси Ti – C над расчетной ударной адиабатой, построенной в предположении отсутствия химического превращения.

В таблице 3 приведены результаты, характеризующие зависимость степени химического превращения реагирующего вещества в порошковой смеси Ti – C от амплитуды давления ударного воздействия [10].

Таблица Амплитуда ударного им5,6 14,5 24,пульса, ГПа Наличие химической ре0 >50 1акции, масс % Для сравнения с экспериментальными данными проведен вычислительный эксперимент по моделированию ударного синтеза в порошковой смеси Ti – C. Все параметры рассматриваемой модельной структуры согласованы с условиями эксперимента, параметр макроскопической структуры концентрационной неоднородности принимался b/a=1,45. Выбор значения параметра b/a=1,45 обоснован сопоставлением прогноза выхода продуктов реакции с данными рассматриваемых лабораторных экспериментов. Рассматривается порошковый слой, представленный последовательностью двух реакционных ячеек.

Приведенные на рисунке 4 прогнозируемые зависимости массовой доли прореагировавших компонентов смеси от времени синтеза позволяют сделать вывод, что для амплитуды ударного импульса Pf=14,5 ГПа можно прогнозировать выход продукта ударно-запущенных химических превращений более 70 мас. %, а для Pf=24,0 ГПа можно прогнозировать практически полное химическое превращение реагирующих компонентов (> 90 мас. %).

0.0.0.t, 10-6с 0 4 Рисунок 4 – зависимости массовой доли прореагировавших компонентов смеси от времени синтеза. Линии: 1 –Pf=14,5 ГПа; 2 –Pf=24,0 ГПа При этом ударный синтез за время действия импульса механической нагрузки Pf=24,0 ГПа инициируется во всем объеме реагирующего материала. Для давления ударного импульса 5,6 ГПа ударный запуск химических превращений в модельной порошковой смеси не реализуется.

Полученные результаты компьютерного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными, приведенными в таблице 3. Последнее позволяет сделать заключение о достоверности разработанного подхода компьютерного моделирования процессов динамического уплотнения химически реагирующих порошковых компактов.

В четвертой главе проведены результаты компьютерного моделирования механохимических процессов ударного и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза соединений NiAl, Cu3Al, ZrB2.

Задачи вычислительных экспериментов по исследованию закономерностей механического поведения химически реагирующих порошковых систем в условиях динамического нагружения, выявления связей между структурой реагирующих материалов, характером внешних воздействий и процессами уплотнения и механической активации реагирующей смеси включают в себя:

исследование условий реализации сверхбыстрых твердофазных химических превращений в условиях ударного компактирования многокомпонентных реагирующих порошковых компактов, исследование определяющих факторов протекания процессов формирования микро- и наномасштабных субструктур продуктов синтеза при ударном нагружении реагирующих твердофазных смесевых компактов, выявление роли кинетики развития повреждаемости материала порошковых компонентов в процессе динамического нагружения и инкубационных времен фазовых переходов компонентов.

В рамках предлагаемой модели процессы СВС могут быть изучены в процессе вычислительного эксперимента, моделирующего физикохимические процессы в реагирующей порошковой смеси в отсутствии внешнего механического воздействия. Моделировались процессы горения порошковых систем Ni – 31,5 мас. % Al и Cu – 12.4 масс % Al, разбавленных конечным продуктом. Рассмотрен реагирующий слой толщиной 0,02 м, состоящий из частиц размерами 50 мкм. Доля легкоплавкого компонента, сконцентрированная у передней грани реакционной ячейки составляла =0,6. Концентрации компонентов по всему объему порошковых смесей полагались однородными (для гладкой функции распределения b/a=1,25 и b/a=0,9 для смесей NiAl и Cu-Al соответственно).

Результаты вычислительного эксперимента по определению скорости V горения в зависимости от концентрации разбавителя CNiAl для различных исходных температур представлены точками на рисунке 5 в системе Ni-Al (рис.

5 а), б)) и в системе Cu-Al (рис. 5 в)) в сравнении с экспериментальными кривыми, полученными в [11].

v, CM/C v, CM/C V, CM/C 0.0.1 CNiAl,% C, % Cu3Al CNiAl,% 0 10 20 0 10 20 30 0 10 20 а) Система Ni-Al, Т0=293 К б) Система Ni-Al, Т0=740 К в) Система Cu-Al, Т0=740 К Рисунок 5 – Зависимость скорости горения от концентрации инертного разбавителя 1 – экспериментальные данные [11], 2 – результаты расчета.

Как видно из представленных результатов, увеличение исходной концентрации инертного наполнителя приводит к уменьшению скорости горения. Результаты вычислительных экспериментов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Горение порошковой смеси Zr-B-ZrB2 в режиме СВС изучено экспериментально в [12]. Синтез в порошковой системе Zr-B без интенсивного внешнего воздействия характеризуется энергией активации химических превращений E0 = 309,32 кДж/моль и инициируется при прогреве до температуры 1270 К [12]. Особенностью горения данной системы является его высокая экзотермичность (тепловой эффект реакции образования диборида циркония составляет порядка 3000 кДж/кг), что в свою очередь приводит к саморазогреву смеси до температур, превышающих температуру испарения бора.

T, K На рисунке 6 представлены резуль60таты расчета, проведенного с учетом теплопотерь на испарения бора и без учета.

Не учет испарения бора приводит к про40гнозу температур смеси, существенно превышающих экспериментально наблюдаемые. Учет испарения позволяет исправить 20ситуацию. То есть для адекватного моделирования процессов горения порошковой системы Zr-B необходимо учесть тепловые b 2b потери на испарение бора.

Рисунок 6 – Распределение темпераСкорость горения и максимальная туры на момент времени t=0,028 с.

температура зависят от начальных значеЧерная линия – без учета испарения, ний температуры образца и концентрации серая линия – с учетом испарения бора инертного разбавителя (продукта реакции). На рисунке 7 представлены результаты моделирования процесса горения порошковой системы Zr – 19 мас. % B, разбавленной конечным продуктом, с насыпной пористостью П0=0,4. Рассмотрен реагирующий слой толщиной 0,01 м, состоящий из частиц размерами 50 мкм, =0,69. Концентрация компонентов по всему объему порошковой смеси полагается однородной (b/a=1,1). Результаты вычислительного эксперимента приведены на рисунке 7 а) в сравнении с экспериментальными данными [12].

v, CM/C t, C 1 -- T0=293 K;

12 2 -- T0=443 K;

0.3 -- T0=593 K.

0.4 0 0.2 0.4 0.6 C ZrBb 2b а) Зависимость скорости горения от концентра- б) Времена инициирования химических преции инертного разбавителя. 1 – эксперимент вращений по толщине реагирующего слоя из [12]; 2 –расчет двух реакционных ячеек.

Рисунок 7 – Моделирование процесса горения в системе Zr-B На рисунке 7 б) представлены результаты прогноза времен инициирования химических превращений по толщине реагирующего слоя исследуемой порошковой системы. Наблюдается нестационарный (автоколебательный) режим горения при низких начальных температурах порошковой смеси (линии 1, 2 рис. 7 б). Увеличение исходной температуры приводит к смене автоколебательного режима горения на стационарный (линия 3 рис. 7 б). Нестационарный режим горения может быть связан с различными скоростями процессов теплопереноса и тепловыделения при экзотермической химической реакции. Таким образом, автоколебательный режим физико-химических превращений в рассмотренных порошковых системах определяется конкурирующими процессами экзотермических химических реакций, тепло- и массопереноса, протекающих на различных структурных уровнях с различными характерными временами. Само существование автоколебательного режима горения обеспечивается низкой исходной температурой порошковой смеси.

Результаты моделирования процессов СВС в системе Zr-B подтверждаются экспериментальными данными [12].

Исследованы условия ударного запуска химических превращений в модельном образце порошковой смеси Zr-B, характеризуемом наличием макроскопической структуры концентрационной неоднородности исходных компонентов. Рассмотрена смесь реагирующих компонентов с размерами частиц 50 мкм, предварительно спрессованная до среднего значения относительного объема пор 0=0,4 при начальной температуре слоя T0=293 K. Ударное нагружение слоя порошковой смеси моделируется макроскопически плоским ударным импульсом с амплитудами Pf = 3 ГПа 7 ГПа.

На рисунке 8 приведены распределения исходных концентраций реагентов (Zr и B) и удельного объема пор () по толщине реагирующего слоя, состоящего из двух реакционных ячеек. Механическая модификация порошковой смеси на фронте ударного импульса определяет уплотнение материала и механическую активацию компонент. На рисунке 9 линиями 2-4 представлены распределения локальных значений энергии активации по толщине слоя на момент окончания действия ударного импульса.

Запуск химических превращений в порошковой смеси Zr-B при начальной температуре T0=293 K (с учетом прироста температуры за счет вязкопластического уплотнения) возможен при достижении локальных значений энергии активации критической величины Eac, отмеченной на рисунке 9 линией 1.

Ea, C, кДж/моль 0. 10.1Zr 0.B 0.0.b 2b b 2b Рисунок 8 – Распределения концентраций ком- Рисунок 9 – Распределение локальных значений понент по толщине исходного компакта энергии активации. Линия 1 – критическое значение энергии активации; линия 2 – Pf= 3 ГПа;

линия 3 – Pf=5 ГПа; линия 4 – Pf=7 ГПа Видно, что для малой амплитуды ударного импульса (линия 2) механическая активация смеси не достигает уровня, необходимого для запуска химических превращений. Увеличение амплитуды ударного воздействия до 5 ГПа приводит к появлению участков, в которых инициируются химические превращения (линия 3). При дальнейшем увеличении нагрузки (линия 4), наблюдаемая область ударно-запущенных химических превращений увеличивается.

Приведенные результаты свидетельствуют об определяющей роли степени механической активации реагирующих компонентов смеси Zr-B в реализации условий ударного запуска химических превращений. Причем для макроскопически неоднородных порошковых смесей рассмотренного типа ударный запуск возможен в зонах с избытком тугоплавкого компонента.

Изучаются условия синтеза на фронте ударного импульса в процессе механохимических превращений ударно-нагруженных химически реагирующих порошковых компактов. Сверхбыстрый массоперенос твердофазных реагирующих компонентов, барьером для которого в стационарных условиях является нарабатываемый продукт синтеза, возможен в процессе нестационарного уплотнения реагирующей среды.

Условием реализации синтеза на фронте ударного импульса в локальных микрообъемах порошковых смесей считается выполнение комплексного критерия запуска нестационарных процессов синтеза, объединяющего условия малости степени химических превращений, достижения требуемой степени механической активации компонентов смеси, выполнения статистического критерия реализации нестационарного режима уплотнения (8).

На первом этапе исследования, проводится оценка размеров мезоскопических элементов структуры – мезообъемов, в которых возможны поперечные течения. В этих областях реализуется нестационарный режим ударного синтеза.

Выполнение критерия нестационарности в каждом из Ns микрослоев, на которые разбивается модельный объем, проверяется на каждом шаге по времени вплоть до окончания действия ударного импульса. Статистические параметры, входящие в критерий, определяются в переделах фиксированной полосы, состоящей из заданного числа микрослоев n. Размер полосы определяется из серии вычислительных экспериментов и определяет возможную величину ячеек турбулентности. В рамках развитого подхода компьютерного моделирования относительный объем ячейки турбулентности может быть представлен относительным числом микрослоев.

На рисунке 10 представлена зависимость относительного числа микрослоев N/Ns, в которых возможна реализация нестационарных процессов, от относительной ширины полосы n/Ns.

0.0.0.0.n /Ns 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Рисунок 10 – Оценка размера ячейки турбулентности.

Величина N/Ns характеризует относительный объем реакционной ячейки , в котором выполняется комплексный критерий (8). За размер мезообъема принимается значение bn0/Ns, при котором относительный объем реакционной ячейки , в котором выполняется критерий нестационарности, становится постоянным.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что существует мезоскопический объем реакционной ячейки, внутри которого возможна реализация нестационарных процессов твердофазного ударного синтеза. Условием реализации таких процессов может служить предложенный комплексный критерий нестационарности, объединяющий требования уплотнения порошковой смеси в режиме появления поперечных течений, с условием ударного запуска химических превращений на начальном этапе действия ударного импульса.

Для оценки объема механоактивированной до максимальной степени части порошковых частиц, а значит, для оценки возможного поперечного размера продукта реакции можно использовать геометрическую модель порошковой среды [2] (рисунок 2 б). В геометрической модели определяется размер ядра порошковой частицы, не подвергаемого пластической деформации. Этот размер зависит от значения исходной пористости и определяет неравномерность пластической деформации материала частиц. Если исходная пористость достаточно большая, но уровень нагружения, т.е. достигаемое давление, достаточно лишь для неполного уплотнения материала, то толщина слоя пластически деформированного материала порошковых частиц тоже будет меньше возможной величины. Слой пластически деформированного материала является слоем частиц реагирующих компонентов, механически активированного до максимальной степени. При низкой интенсивности динамического воздействия тепловой эффект ударнозапущенных химических превращений в этом слое не вызовет прогрева частиц, необходимого для теплового запуска реакции недеформированной части реагирующих компонентов. За исходную пористость - только для этой оценки - можно взять величину, на которую пористость уменьшится в результате неполного ударного уплотнения. Так можно управлять размером синтезируемой фазы в широком диапазоне размеров частиц реагирующих компонентов - за счет выбора амплитуды динамического нагружения и пористости исходного компакта. Продукт механохимических превращений в этом случае будет представлять собой композиционный материал, представляемый структурными элементами исходных компонентов смеси и продукта реакции. Линейный размер структурных элементов продукта химических превращений определится размерами зон пластической деформации частиц реагирующих компонентов.

В процессе вычислительного эксперимента моделируется процесс синтеза композиционного материала в порошковой системе Ni – 31,5 мас. % Al под действием ударного импульса с амплитудой 2 ГПа и длительностью 1 мкс.

Рассмотрена модельная структура исходного ультрадисперсного порошкового компакта с размером частиц d= 5 мкм с различными значениями средней пористости П0 и параметром b/a=1,5.

О производительности процессов ударного синтеза можно судить по зависимостям массовой доли прореагировавших компонентов от времени синтеза, представленных на рисунке 11. Наблюдается смена режима высокоскоростных превращений в первой фазе, на режим термоактивированного горения во второй фазе, характеризуемой меньшими скоростями вследствие исчерпания сверхбыстрых ударно запущенных превращений в локальных высокоактивированных зонах порошковых частиц.

Поскольку все физико-химические про цессы реализуются за очень короткие времена (порядка долей микросекунд), то постулат о 0.мгновенной реализации фазовых переходов и повреждаемости компонентов может оказаться неприменимым. Для проверки необходи0.мости учета кинетики накопления повреждаемости моделируется процесс синтеза в порошковой системе Ni – 31,5 мас. % Al под t, MKC 0 10 20 действием ударного импульса длительностью Рисунок 11 – Зависимость массовой 1 мкс и амплитудой 2 ГПа. Рассмотрена модоли продукта реакции от времени дельная структура исходного ультрадисперссинтеза для различных значений исного порошкового компакта с размером часходной пористости П0. Линия 1 – П0=0,3; линия 2 – П0=0,4; линия 3 – тиц 5 мкм, с различными значениями средней П0=0,5.

пористости и дисперсии концентрации компонентов. Рассмотрен слой реагирующей порошковой смеси с объемом элемента структуры 9·10-9 м3.

На рисунках 12, 13 представлены зависимости относительного объема зон реализации нестационарного режима уплотнения (согласно комплексному критерию (8)) от параметров структуры для исходной и уточненной модели.

Видно, что в обоих случаях характер кривых практически не изменился. Учет кинетики развития повреждаемости привел к смещению прогнозируемой зависимости концентрации в сторону больших значений пороговой величины средней пористости, преодоление которой вызывает существенный рост объема материала, в котором возможна реализация сверхбыстрых превращение (рисунок 12).

0.0.0.0.0.0.0.1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 b/a 0.2 0.3 0.4 0.5 Рисунок 12 – Относительный объем зон реали- Рисунок 13 – Относительный объем зон реазации сверхбыстрых превращений. Серые ли- лизации сверхбыстрых превращений. Серые нии – без учета повреждаемости, черные линии линии – без учета повреждаемости, черные – с учетом повреждаемости.. b/a=1,3 линии – с учетом повреждаемости. П0=0,Как следует из рисунка 13, влияние уточнения модели на зависимости от величины b/a мало и проявляется в существенно неоднородных смесях (b/a=1,31,5).

Зависимости массовой доли продукта реакции относительно массы исходных реагентов от времени синтеза представлены на рисунке 14 для различных параметров исходной структуры порошкового компакта, полученных с использованием исходной и уточненной модели.

0.0.0.4 0.0.0.t, MKC t, MKC 0 1 2 3 0 1 2 3 а) П0=0,4; б) b/a=1,3;

Линии 1, 4 – b/a=1,5; Линии 2, 5 – b/a=1,3; Линии 1, 5 – П0=0,25; Линии 2, 6 –; П0=0,3;

Линии 3, 6 – b/a=1,1 Линии 3, 7 – П0=0,4;Линии 4, 8 – П0=0,Рисунок 14 – Прирост массовой доли продукта синтеза в процессе ударного нагружения.

Серые линии – без учета повреждаемости, черные линии – с учетом повреждаемости.

Наблюдается увеличение выхода продукта реакции на момент окончания действия ударного импульса с уменьшением параметра структуры концентрационной неоднородности (рисунок 14 а)) и увеличением средней пористости исходного компакта (рисунок 14 б)). Как следует из приведенных результатов, неучет кинетики развития повреждаемости приводит к существенной погрешности прогноза скорости выхода продукта реакции.

Таким образом, кинетика развития повреждаемости материала порошковых частиц является определяющим фактором механической активации порошковых компонентов реагирующей смеси на фронте ударного импульса.

Как следует из результатов вычислительного эксперимента, введение параметра инкубационного времени разрушения приводит к существенно отличающимся результатам прогноза (относительно исходной модели) времени выполнения критерия и относительного объема зон реализация нестационарных процессов уплотнения.

Для исследования важности учета кинетики фазового перехода (плавления алюминия) моделируется процесс ударного синтеза в порошковой системе Ni-Al, характеризуемой исходными распределениями концентраций компонентов и пористости представленными на рисунке 15. На рисунке 16 представлена зависимость температуры от времени для сечений реагирующего модельного слоя 1 и 2, отмеченных на осях абсцисс рисунке 15. Тонкими черными линиями выделены кривые, полученные с использованием исходной модели без учета инкубационного периода фазового перехода, более толстыми линиями серого цвета – по уточненной модели.

T, K C, 0.12Al 0.8Ni 0.40.1 2b b 0 4 8 12t, MKC Рисунок 15 – Распределения концентраций Рисунок 16 – Изменение температуры во врекомпонент по толщине исходного компакта мени в сечениях 1 и 2 реагирующего слоя В обоих случаях на кривых хорошо заметна площадка, отвечающая процессу плавления алюминия. Неучет инкубационного времени фазового превращения приводит к заметной погрешности в определении длительности перехода и кинетики роста температуры (свыше 30 %). Результат вычислительного эксперимента свидетельствует о существенном влиянии факторов кинетики фазового перехода на кинетику физико-химических процессов. Таким образом, учет инкубационных времен фазовых превращений материала компонентов существенен для адекватного моделирования физикохимических процессов в реагирующих средах при динамическом нагружении.

Исследовалось влияние размера частиц реагирующих компонентов на кинетику физико-химических превращений. Моделировался процесс ударного синтеза в порошковом компакте Ni-Al+30 масс% NiAl, предварительно спрессованном до значения средней пористости П0=0,4, характеризующийся степенью концентрационной неоднородности b/a=1,5 под действием ударного импульса с амплитудой 2 ГПа и длительностью 1 мкс.

О кинетике химических превращений позволяют судить зависимости массовой доли алюминида никеля, отнесенной к исходной массе реагирующих компонентов, от времени синтеза, приведенные на рисунке 17. Максимальный выход продукции к определенному моменту времени наблюдается для порошковых систем, характеризующихся мелкими частицами никеля, причем как видно из рисунка 17 а), размер частиц алюминия практически не влияет на кинетику ударного синтеза.

0.4 0.d1=5 MKM, d2=5 MKM d1=5 MKM, d2=5 MKM 0.0.d1=5 MKM, d2=7,5 MKM d1=7,5 MKM, d2=5 MKM d1=5 MKM, d2=10 MKM d1=10 MKM, d2=5 MKM t, MKC 0 10 0 10 20 t, MKC а) б) Рисунок 17 – Зависимость массовой доли продукта реакции от времени синтеза для различных значений исходного размера частиц компонентов (d1 – Ni; d2 – Al) Таким образом, дисперсность пластичного реагента (Al) практически не оказывает влияния на скорость горения. Влияние размеров частиц твердого компонента (Ni) на кинетику процесса синтеза существенно и не монотонно.

Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными по горению смеси Ni-Al в режиме СВС, представленными в [11].

Исследуется влияние исходных параметров ударно-нагруженных порошковых смесей на возможность реализации сверхбыстрых превращений на фронте ударного импульса. Моделируется процесс синтеза в порошковой системе Ni – 31,5 мас. % Al под действием ударного длительностью 1 мкс.

Рассмотрена модельная структура исходного порошкового компакта с различными значениями средней пористости П0, параметра концентрационной неоднородности b/a и размером частиц d= 5 10 мкм. Результаты вычислительного эксперимента приведены для слоя реагирующей порошковой смеси с объемом элемента структуры 9·10-9 м3.

Выполнение критерия (8) в микрослоях проверяется на каждом шаге по времени вплоть до окончания действия ударного импульса. Статистические параметры, входящие в критерий, определяются в переделах ячейки турбулентности, размер которой определялся по методике описанной выше.

На рисунке 18 представлены зоны выполнения критерия (выделенные серым цветом), полученные в результате расчета, на фоне исходных распределений концентраций компонентов и удельного объема пор по толщине реагирующего слоя из двух реакционных ячеек длиной b. Для ультрадисперсных порошковых смесей в этих зонах возможно формирование наноструктуры продукта механохимических превращений. В смесях с крупными частицами наноструктурное состояние может не реализоваться вследствие невозможности в процессе динамического воздействия достижения компонентами смеси наноскопических размеров. Полученные результаты демонстрируют сильную зависимость расположения данных зон от параметров исходной структуры порошкового компакта. Уменьшение исходной пористости приводит к уменьшению зон нестационарного уплотнения вплоть до полного исчезновения.

C, C, C, NiAl Al 0.4 0.4 0.Al NiAl 0.3 Al 0.3 0.NiAl 0.2 Ni 0.2 0.Ni 0.0.1 0.Ni 0 b 2b b 2b b 2b П0=0,2; b/a = 1,3 П0=0,4; b/a = 1,3 П0=0,4; b/a = 1,Рисунок 18 – Зоны выполнения критерия смены режимов энергообмена (8) по толщине реагирующего слоя.

На рисунке 19 представлены зависимости относительного объема зон реализации критерия нестационарности (8) от исходных параметров структуры и амплитуды ударного импульса. В случае равенства размеров частиц обоих компонентов (Рисунок 19 а) зависимость относительного объема от дисперсности оказывается существенно немонотоннной. При этом существует диапазон изменения размеров частиц порошковой смеси (5 9 мкм), в котором величина относительного объема реализации сверхбыстрых превращений остается постоянной.

N/N s 0.0. 0.0.0.0.2 b/a 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4 6 8 10 d, MKM а) dNi=dAl б) N/N s 0.b/a=1,1 0.0.6 0.b/a=1,0.4 b/a=1,3 0.0.2 0.0 P, a 2 3 4 f 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 в) г) Рисунок 19. Относительный объем зон, в которых возможны сверхбыстрые превращения Наблюдается незначительное уменьшение относительного объема с ростом концентрационной неоднородности (Рисунок 19 б). Обнаружено наличие порогового значения исходной пористости, преодоление которого приводит к скачкообразному увеличению относительного числа слоев (Рисунок 19 в).

Это может быть обусловлено тем, что процесс ударного перехода реализуется в два этапа: на первом этапе реализуется сферически симметричное затекание пор, на втором – появляются вихревые течения. Критерий (8) может выполниться только на втором этапе. Таким образом, при малых значениях пористости условия выполнения критерия могут не реализоваться. Как видно из рисунка 19 г), относительный объем зон выполнения критерия (8) практически не зависит от амплитуды динамического воздействия.

Таким образом, нестационарный режим динамического уплотнения имеет локализованный характер, формируя структуру продукта физикохимических превращений в ударнонагруженных реагирующих порошковых компактах. В ультрадисперсных порошковых реагирующих материалах зоны реализации такого режима динамического уплотнения представляют наиболее вероятные области формирования наноразмерных субструктур продукта реакции.

На рисунке 20 а) приведено модельное распределение параметра концентрационной неоднородности, рассмотренное в процессе вычислительного эксперимента. Использован нормированный параметр макроскопической структуры концентрационной неоднородности u=(b/a-m)/. Здесь m – математическое ожидание; – среднеквадратическое отклонение параметра b/a.

Результаты вычислительных экспериментов приведены на рисунке 20 б, в) и представляют гистограммы плотности распределения стартовой интенсивно сти превращений 0,2 (рисунок 20 б)) и относительного объема зон выполнения комплексного критерия (рисунок 20 в)).

f(u) f(.

f() 0.0.0.0.0.0.0..

u 0.4 0.5 0.-2 0 2 0.1 0.12 0.14 0.16 0.а) m=1,3; =0,114 б) m=0,16; =0,02 в) m=0,485; =0,0Рисунок 20 – Гистограммы плотности распределения Вычислительный эксперимент демонстрирует возможности разработанной модели химически реагирующего порошкового деформируемого твердого тела стохастической структуры, с учетом характеристик структуры концентрационной неоднородности исходной смеси реагирующих компонентов и инертного наполнителя, кинетики развития повреждаемости и фазовых переходов компонентов, механической активации, условий реализации сверхбыстрых химических превращений, возможности образования жидкой и газовой фаз легкоплавкого компонента. Применение разработанной методики компьютерного моделирования позволяет выявлять связи между структурой материала, характером внешних воздействий и процессами динамического уплотнения реагирующих порошковых компактов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В результате проделанной работы получены следующие результаты и выводы:

1. Построена модель химически реагирующего порошкового деформируемого твердого тела стохастической структуры, с учетом характеристик структуры концентрационной неоднородности исходной смеси реагирующих компонентов и инертного наполнителя, кинетики развития повреждаемости и фазовых переходов компонентов, механической активации, условий реализации сверхбыстрых химических превращений, возможности образования жидкой и газовой фаз легкоплавкого компонента. Модель позволяет исследовать закономерности деформирования гетерогенных химически реагирующих смесевых материалов типа Ni-Al, Ti-C, Zr-B при динамическом нагружении. Прогноз поведения стохастического порошкового смесевого твердого тела возможен при применении развитой модели для всех элементов стохастического ансамбля.

2. Разработаны метод анализа и схема компьютерного моделирования процессов динамического уплотнения реагирующих порошковых тел указанного типа. Учитывается эволюция структуры и всех физико-химических характеристик на всех этапах механохимических превращений. Рассматриваются решения связанных задач на разных структурных уровнях. Используется энергетический метод оценки возможности запуска и степени реализации физико-химических процессов в порошковом теле с позиций микромеханики композиционных материалов. Применяются аналитические и численные решения модельных краевых задач, встроенные в дискретную схему компьютерного моделирования.

3. Предложен комплексный критерий реализации нестационарного процесса динамического уплотнения реагирующей порошковой смеси, определяющий необходимые условия сверхбыстрых физико-химических превращений на фронте ударного импульса. Критерий объединяет условия малости степени химических превращений, достижения требуемой степени механической активации, выполнения статистического критерия нестационарности.

4. Структура порошкового материала за фронтом ударного импульса определяется исходной структурой реагирующего смесевого порошкового тела – размерами порошковых частиц, средней пористостью и степенью концентрационной неоднородности. Параметры структуры локализованных зон нестационарного динамического уплотнения не зависят от амплитуды динамического воздействия. Существуют практически значимые диапазоны изменения степени концентрационной неоднородности и размера частиц реагирующих смесей, внутри которых возможна реализация физико-химических превращений на фронте ударного импульса.

5. Существует пороговое значение средней пористости исходного компакта, переход через которое определяет существенный рост концентрации зон нестационарного режима динамического уплотнения материала на фронте ударного импульса.

6. Неоднородность пластического деформирования и кинетика развития повреждаемости материала порошковых частиц являются определяющими факторами механической активации порошковых компонентов реагирующей смеси на фронте ударного импульса. Для малых значений пористости и низких амплитуд ударного импульса возможно существование ядра порошковых частиц, не претерпевающего пластическую деформацию, а значит, механически не активированного. Неоднородность пластического деформирования вместе с инкубационным временем, мгновенным и текущим уровнем повреждаемости материала порошковых компонент определяют негомогенность степени активации реагирующей смеси по объему частиц и по времени действия ударного импульса.

7. Учет инкубационных времен фазовых превращений материала компонентов существенен для адекватного моделирования физико-химических процессов в реагирующих средах при динамическом нагружении.

8. Для реагирующей смеси типа Zr-B испарение одного из компонентов (бора) является определяющим фактором как самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, так и физико-химических процессов поведения смеси в процессе динамического уплотнения.

Разработанные модель химически реагирующего порошкового деформируемого твердого тела и схема компьютерного моделирования позволяют получать прогноз параметров состояния реагирующей среды на фронте ударного импульса, условий реализации ударного синтеза и характеристик структуры на всех этапах физико-химических превращений. Существенно неоднородный характер распределения локализованных зон ударного запуска сверхбыстрых химических превращений позволяет сделать вывод о том, что структура ударносинтезируемого композита представляется слоями продукта реакции и исходных реагентов.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Щетинин В.Г. Ударное сжатие и разогрев пористых сред // Shock waves in condensed matter, edited by A.L. Birukov et al., Saint-Petersburg. – 1998. – P. 186197.

2. Нестеренко В.Ф. Импульсное нагружение гетерогенных материалов. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1992.

3. А.В. Каштанов, Ю.В. Петров Энергетический подход к определению уровня мгновенной поврежденности // ЖТФ. 2006. т. 76, вып.5. С. 71-4. П.А. Глебовский, Ю.В. Петров Кинетическая трактовка структурновременного критерия разрушения // ФТТ. 2004. т. 76. вып. 6. С. 1021-105. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое. – Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР. 1984. 164 с.

6. Александров В.В., Корчагин М.А., Болдырев В.В. Механизм и макрокинетика взаимодействия компонентов в порошковых смесях // Докл. АН СССР. – 1987. – т.292, №4. – С. 879-881.

7. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез // Физическая химия. – 1983. – т.3, №44. – С. 6-45.

8. Петров Ю.В., Ситникова Е.В. Температурная зависимость откольной прочности и эффект аномальных температур плавления при ударно-волновом нагружении // ЖТФ, 2005, т. 75, вып. 8, С. 71-74.

9. Мещеряков Ю.И. Об управлении физическими механизмами структурообразования при ударном нагружении материалов // Управление в физикотехнических системах. – СПб.: Наука, 2004. – С. 222 - 245.

10. Гордополов Ю.А. Действие ударных волн на процессы и продукты самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика. – Черноголовка:

Территория, 2001. С. 294-312.

11. Итин В.И., Найбороденко Ю.С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. – Томск, 1989. – 214 с.

12. И.П. Боровинская, Ф.Г. Мержанов, Н.П. Новиков, А.К. Филоненко Безгазовое горение смесей порошков переходных металлов с бором // ФГВ. – 1974.

- №1. – 4-15.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Дмитриева М.А., Лейцин В.Н. Исследование механизмов переноса в реагирующих порошковых смесях типа Ti Aln // Изв. Вузов. Физика. - 1999.

- №3. – С. 57-62.

2. Дмитриева М.А. Влияние структурных параметров реагирующей смеси на кинетику механохимических превращений при синтезе интерметаллидов. // Материалы ХХХVII Международной научной студенческой конференции “Студент и научно-технический прогресс”, Физика.

Ч.1.Новосибирск, 1999 г. – С. 22-3. Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Кобраль И.В. Моделирование самоорганизующихся механохимических процессов синтеза материалов сжиганием // Математическое моделирование процессов в синергетических системах:

Сборник статей. Улан-Удэ – Томск: Изд-во ТГУ, 1999. – С. 199-202.

4. Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Скрипняк В.А. Моделирование процессов ударного синтеза алюминидов. // Proceedings of the International Conference “Shock Waves in Condensed Matter” Saint-Petersburg, Russia, 8-13 October, 2000. – Рр. 107- 110.

5. Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Кобраль И.В. Многоуровневое компьютерное моделирование ударного синтеза карбидов // Физическая мезомеханика. – 2001. – т. 4, № 2.– С. 43-49.

6. Лейцин В.Н., Скрипняк В.А., Дмитриева М.А. Компьютерное моделирование механохимических процессов в порошковых смесях // Вычислительные технологии. – 2001. – т. 6, ч. 2, Спец. выпуск. – С. 261-265.

7. Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Моделирование процессов ударной модификации реагирующих порошковых материалов // Физическая мезомеханика. – 2002. – т. 5, №4. – С. 55-65.

8. Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Скрипняк В.А. Прогнозирование параметров, определяющих свойства алюминидов переходных металлов, полученных в результате механохимического синтеза. // Современные проблемы физики и технологии. Сборник статей молодых ученых. – Томск:

Изд-во Томского ун-та. 2001. – С. 38-41.

9. Скрипняк В.А., Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Моделирование процессов ударного синтеза алюминидов // Химическая физика. – 2002. – т. 21, № 8. – С. 14-18.

10.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Схема компьютерного моделирования механохимических процессов в ударно-нагруженных реагирующих порошковых смесях // Вычисл. технологии. – 2002. – т. 7, ч. 2. – С. 198-206.

11.Leitsin V.N., Skripnyak V.A., Dmitrieva M.A. Three-scale model for numerical simulation of mechano-chemical processes in shock-compressed powder bodies // Shock compression of condensed matter – 2001, edited by M.D.

Furnish, N.N. Thadhani, and Y Horie © 2002 American Institute of Physics 07354-0068-7/02 Pp. 1093-1012.Дмитриева М.А., Лейцин В.Н. Определяющие факторы ударной активации реагирующих порошковых материалов // Современные проблемы физики и технологии: Сб. статей молодых ученых. – Томск: Изд-во Том. унта, 2002. С. 4-6.

13.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Колмакова Т.В. Компьютерное моделирование ударного синтеза карбидов в порошковой системе Ti-C. // «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» Труды международной конференции III харитоновские тематические научные чтения (г. Саров, 26 февраля – 2 марта 2001) – г. Саров, ВНИИЭФ, 2002. – С. 129133.

14.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Определяющие факторы ударного синтеза алюминидов переходных металлов // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Доклады конференции. – Томск: Ф 9Изд-во Том. ун-та, 2002. – С. 166-115.Лейцин В.Н., Кобраль И.В., Дмитриева М.А. Исследование процессов динамического уплотнения реагирующих порошковых смесей типа Ti-C // Вестник Том. гос. ун-та. Общенаучный периодический журнал. Бюллетень оперативной научной информации. № 13. июль 2003. – С. 23-27.

16.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Моделирование конвективного тепло- и массопереноса в ударно-нагруженной реагирующей порошковой среде // Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития:

Сб. статей. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. С. 29-31.

17.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Исследование кинетики горения порошковой системы типа Ni-Al // Горение и плазмохимия: Труды II Международного симпозиума. 17-19 сентября 2003. – Алматы: Казак.

университетi, 2003. – C. 95-100.

18.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Математическое моделирование механохимических процессов в ударно-нагруженных реагирующих порошковых смесях // Краевые задачи и математическое моделирование: Сб. тр. 6-й Всерос. науч. конф. 29 ноября – 1 декабря 2003 г. Краевые задачи и методы их решения/ НФИ Кем. ГУ; Под общ. ред. В.О. Каледина. – Новокузнецк, 2003. – С. 158-163.

19.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Колмакова Т.В. Компьютерное моделирование механохимических процессов в ударно нагруженной термитной смеси // Сборник докладов Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики».- Хабаровск: Изд-во Хабар. Гос. техн. ун-та, 2003.–Т.II.–С. 212-219.

20.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Колмакова Т.В. Учет формирования наноструктур при ударном нагружении ультрадисперсных реагирующих порошковых смесей // Физика и химия высокоэнергетических систем:

Сборник избранных докладов научно-технической конференции/ Под ред. Э. Р. Шрагера – Томск: Изд-во Том. ун -та, 2003.- С. 81-82.

21.Leitsin V.N., Dmitrieva M.A. Computer research of size effects of mechanochemical processes in shock-compressed powder bodies // Труды X семинара Азиатско-тихоакеанской академии материалов и III Конференции "Материалы Сибири" "Наука и технологии наноструктурированных материалов" / Ответ. редактор акад. Ф.А. Кузнецов. Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН. Новосибирск, 2003. – С. 132-122.Лейцин В.Н., Колмакова Т. В., Дмитриева М.А. Оценка эволюции параметров состояния порошковых систем методами яркостной пирометрии // Вестник Том. гос. ун-та. Общенаучный периодический журнал. Бюллетень оперативной научной информации. № 13. июль 2003. – С. 16-22.

23.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Компьютерное моделирование физикохимических процессов в динамически уплотненных реагирующих порошковых смесях // Вестник Том. гос. ун-та. Общенаучный периодический журнал. Бюллетень оперативной научной информации. № 13. июль 2003. – С. 5-10.

24.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Компьютерное моделирование параметров ударного синтеза // Вычисл. технологии, т. 8, Региональный вестник Востока, т.3 (19) – 2003. – (совместный выпуск, ч. 2) – С. 159-125.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Компьютерное моделирование процессов механохимического синтеза при квазистатическом нагружении реагирующих порошковых систем // Вычисл. технологии, т. 9, Вестник КАЗНУ им. Аль-Фараби, №3(42), часть 3, Новосибирск-Алматы, 2004.- С. 7480.

26.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Компьютерное моделирование технологических режимов ударного синтеза // Физическая мезомеханика, т. 7, №3, 2004. С. 89-27.Лейцин В.Н., Колмакова Т. В., Дмитриева М.А. Оценка эволюции параметров состояния ударно нагруженных порошковых систем методами яркостной пирометрии // Физическая мезомеханика, Т. 7, №3, 2004, С. 95100.

28.Лейцин В.Н., Колмакова Т. В., Дмитриева М.А. Влияние параметров структуры поверхности образца реагирующей порошковой среды на ее излучение в процессе механохимических превращений // Вычисл. технологии, т. 9, №3(42), часть 3, 2004.- С.81-86.

29.Лейцин В.Н., Колмакова Т. В., Дмитриева М.А. Исследование влияния условий нагружения на свечение поверхности образца динамически нагруженной реагирующей порошковой смеси// Физическая мезомеханика, Т. 7, Спец. выпуск, Ч. 2, 2004, С. 78-81.

30.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Модель процессов синтеза в реагирующих порошковых компактах типа Ti-Al, Ti-C при ударном нагружении // Химия в интересах устойчивого развития. т.13. – 2005. – С. 271-231.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Кобраль И.В. Реологическая модель реагирующей порошковой среды типа Ti-C // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Доклады конференции. – Томск:

Изд-во Том. ун-та, 2004. – С. 204-205.

32.Дмитриева М.А. Компьютерное моделирование физико-химических процессов в динамически уплотняемых реагирующих порошковых смесях. // Материалы научной сессии молодых ученых научно-образовательного центра «Физика и химия высокоэнергетических систем». – Томск: ИФПМ СО РАН, 2004. – С. 85-87.

33.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Колмакова Т.В. Модель физикохимических процессов, сопровождающих уплотнение реагирующих порошковых компактов // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: Труды XIX Всерос. конф., Бийск, 28-31 августа 20г. / под ред. В.М Фомина. – Новосибирск: «Параллель», 2005. – С. 151-134.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Условия формирования наноструктуры материалов в процессе механосинтеза // Материалы VII Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем», Москва, 2005. – С 70-80.

35.Дмитриева М.А., Пронин М.В. Формирование вторичных вихревых структур в реагирующих порошковых материалах // Физика и химия наноматериалов: Сборник материалов международной школы-конференции молодых ученых (13-16 декабря 2005 г).– Томск: Томский государственный университет, 2005.–С. 40-44.

36.Дмитриева М.А. О формировании вторичных структур в процессе динамического уплотнения реагирующих порошковых материалов // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов I Всероссийской конференции молодых ученых (26-29 апреля 2005 г.). – Томск: ТГУ 2005. – С. 248-237.Дмитриева М.А., Пронин М.В. Особенности формирования вторичной структуры ультрадисперсных реагирующих материалов в процессе механосинтеза // Изв. Вузов. Физика. - 2006. - № 3. Приложение. - С. 28-38.Дмитриева М.А., Лейцин В.Н., Орлов С.А. Особенности механохимического поведения ультрадисперсных реагирующих порошковых материалов // Изв. Вузов. Физика. - 2006. - № 3. Приложение. - С. 26-39.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Моделирование механохимических процессов в реагирующих порошковых средах. Томск: Изд-во НТЛ, 2006. – 188 с.

40.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Колмакова Т.В., Кобраль И.В. Моделирование физико-химических процессов в реагирующих порошковых материалах // Известия вузов. Физика. – 2006. - № 11. - С. 43-41.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Кобраль И.В. Определяющие факторы ударного уплотнения реагирующей порошковой смеси Ti-C // Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения: сб. науч. Трудов Российской школы-конференции молодых ученых и преподавателей. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2006. С. 139-142.Дмитриева М.А., Лейцин В.Н., Пронин М.В. Исследование возможности формирования наноструктурного состояния в реагирующих порошковых материалах // Решетневские чтения: материалы X Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2006. - С. 249-243.Дмитриева М.А. Комплексный критерий перехода к неравновесным процессам в реагирующих порошковых смесях // Вестник Тверского государственного университета. Серия «Прикладная математика». – 20– № 17 (45), вып. 6. С.87-44.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Моделирование процессов ударного синтеза наноструктурных композиционных материалов // Материалы IV Международного симпозиума «Горение и плазмохимия» - Алматы: Казак университетi, 2007. С. 75-45.Еремкина Е.Б. Дмитриева М.А., Пронин М.В. Влияние исходных параметров на формирование наноструктуры в реагирующих порошковых материалах // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов III Всероссийской конференции молодых ученых (24-27 апреля 2007 г.). – Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. С. 35-46.Дмитриева М.А, Лейцин В.Н. Моделирование неравновесных процессов ударного синтеза // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов III Всероссийской конференции молодых ученых (24-апреля 2007 г.). – Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. С. 146-147.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А. Компьютерное моделирование нестационарных процессов ударного синтеза композитов // Математические модели физических процессов: Материалы 12-й Международной научной конференции (14-15 сентября 2007). т.I Физико-математические и физико-технические модели проблемы технологии // Таганрогский государственный педагогический институт / отв. ред. Т.М. Абрамович. – Таганрог:

Изд-во Таганрог. гос. пед. ин-та, 2007, С. 150-148.Дмитриева М.А, Лейцин В.Н. Исследование условий ударного синтеза наноструктурных композиционных материалов в смеси Zr-B // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - №3. -2007. С.48-49.Дмитриева М.А., Колмакова Т.В., Лейцин В.Н. Исследование условий автоколебательного режима физико-химических превращений // Изв. вузов.

Физика. Тематический выпуск под. ред. А.А. Глазунова. 2008. – Т. 51, №8/2, C. 148-150.Leitsin V.N., Dmitrieva M.A., Kolmakova T.V. Governing Factors of Physical and Chemical Behavior of Reactive Powder Materials // Powder Metallurgy Research Trends / Editors Lotte J. Smit and Julia H.Van Dijk. Nova Science Publishers, Inc. NY, 2051.Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Кобраль И.В. «Shock_SHS_01»: программа моделирования физико-химических процессов ударного синтеза в порошковых материалах, способных к самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу (свидетельство № 9695 от 22.12.2007) // Журнал «Компьютерные учебные программы и инновации». -М: - 2008. – N 4. С.

135-152.Дмитриева М.А, Лейцин В.Н. Динамический анализ условий ударного синтеза нанокомпозитов // Наноструктурные материалы – 2008: Беларусь – Россия – Украина (НАНО-2008): материалы I Междунар. науч. конф.

(Минск, 22-25 апр.2008 г.)/ Минск: Белорус. наука, 2008 С.353.Дмитриева М.А, Лейцин В.Н. Динамический анализ условий ударного уплотнения ультрадисперсных реагирующих смесей // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Доклады конференции.

– Томск: Изд-во Том. ун-та, 2008. C. 232-254.Дмитриева М.А. Модель стохастического реагирующего композита // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов V Всероссийской конференции молодых ученых (22-25 апреля 2009 г., г.

Томск). – Томск ТМЛ-Пресс, 2009. - С.286-2




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.