А. В. КРЮКОВ, И. М. КУРЧАТОВ, Н. И. ЛАГУНЦОВ,
В. Н. ТРОНИН
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) ОАО “Аквасервис”, Москва
Влияние взаимодействия молекул газа
с поверхностью на эффект «газового диода»
в асимметричных нанопористых мембранах
Рассмотрена возможность определения типа взаимодействия и определения величины параметра модели «белого шума». Приведены результаты исследования мембран из различных материалов, полученных методом СВС-технологии.
При расчете коэффициентов проницаемости пористых материалов часто представляют пористую среду набором цилиндрических капилляров одинакового радиуса. При этом радиус берут равным среднему гидравлическому радиусу (отношение удвоенного объема пор к площади смачиваемой поверхности пор). Иногда теоретическая расчетная проницаемость получается больше экспериментально определяемой. Это может быть связано со специфическим взаимодействием молекул газа с поверхностью пористой среды, обусловленным рассеянием молекул о неоднородности поверхности капилляров. Это может приводить к тому, что распределение молекул по направлениям движения становится неизотропным. Такое распределение может быть описано моделью взаимодействия «белого шума» [1]. В этой модели имеется параметр взамодействия молекул газа с поверхностью учитывающий степень неизотропности распределения. Отметим, что эта модель, в частности, описывает диффузную модель взаимодействия, при которой распределение молекул по направлениям изотропно.
В работе [2] вводят коэффициенты учитывающие отличие проницаемости модельной пористой среды из капилляров от реальной пористой среды. Этот подход не позволяет корректно учесть особенности движения молекул газа в пористой среде.
В настоящей работе рассматривается возможность определения типа взаимодействия и определения величины параметра взаимодействия модели «белого шума». В качестве объектов исследования выбраны мембраны полученные методом СВС-технологии из следующих материалов: нитрид бора, карбид кремния и оксид алюминия.
Теоретическое моделирование течения проводилось в 2D-приближении, с использованием модели взаимодействия «белого шума» в режиме свободно-молекулярного течения. Скорости всех молекул принимали равной средней тепловой скорости. Пористую среду аппроксимировали набором одинаковых цилиндрических капилляров.
Суть методики состояла в следующем, по изображениям сколов мембран, полученным на электронном микроскопе с помощью программы TopoMetrix SPMLab ver. 5.0 определяли средний гидравлический радиус пор и пористость исследуемых образцов. Для определенных радиусов пор строились зависимости относительного потока от параметра взаимодействия молекул газа с поверхностью пористой среды модели «белого шума» (под относительным потоком понимается отношение величины потока газа при заданном значении параметра взаимодействия к величине потока рассчитанного по модели диффузного рассеяния).
Для определения величины параметра взаимодействия, были экспериментально измерены величины потоков газа в свободно-молекулярном режиме через исследуемые образцы мембран. Исходя из определенных по изображениям сколов мембран средних гидравлических радиусов, были рассчитаны величины потоков для случая диффузного рассеяния, и с учетом экспериментальных исследований, определены величины относительного потока. Используя полученные теоретические зависимости относительного потока от параметра взаимодействия молекул газа с поверхностью пористой среды модели «белого шума» были определены параметры взаимодействия для всех исследуемых образцов.
Таким образом, показано, что с увеличением параметра модели «белого шума», проницаемость мембраны уменьшается. Этот результат закономерен, поскольку увеличение параметра модели «белого шума» косвенно отражает шероховатость поверхности, и чем больше шероховатость, тем большее «сопротивление» течению газа оказывает канал.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №-a.
Авторы благодарят за предоставление образцов мембран.
Список литературы
1. И. М Курчатов, , . Альтернативная энергетика и экология, № 5(
2. R.M. Barrer, D. Nicholson. Brit. J. Appl. Phys., 1966, vol. 17, .
