СТИМУЛИРОВАНИЕ НИЗКОЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ
ГОРЕНИЯ СВС ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
(д. т.н., профессор), (д. ф.-м. н., профессор),
(аспирант), (аспирант)
Лаборатория СВС, АлтГТУ
656099, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ленина, т/ф (3852)368463, *****@***ru
Аннотация: метод стимуляции основан на возмещении энергии, диссипирующей на прогрев интерметаллидных добавок (что препятствует протеканию реакции в автоволновом режиме), посредством джоулева тепла, выделяющегося в смеси под действием электрического тока определенной величины, без генерации электротеплового взрыва.
Часто в реагирующую смесь дисперсных материалов добавляется примесь инерта. Но, при увеличении его процентного содержания, автоволновая реакция смеси становится все более нестабильной и, в конечном счете, затухает, не успев прореагировать во всем реакционном объеме. Таким образом, для получения целевого продукта необходимо каким-либо образом стимулировать нестабильную автоволновую реакцию.
Наличие у дисперсной среды Ni+Al конечной проводимости позволяет инициировать реакцию СВС помимо локального нагревателя также и джоулевым теплом. Но, воздействуя на электропроводящий дисперсный образец электрическим током, может возникнуть опасность генерации электротеплового взрыва, который приведет к нежелательной деформации структуры прореагировавшего образца.
В результате проведения исследований электрофизических характеристик дисперсной среды типа Ni+Al был разработан контролируемый метод послойной стимуляции электрическим током слабоэкзотермической волны горения смеси порошков Ni и Al с 40 масс.% (и более) содержанием инертных добавок. Применение данного метода позволяет достигнуть значительный экономический эффект, поскольку вместо дорогостоящих порошков в шихту вводятся отходы производства СВС-материалов (интерметаллиды), без изменения физико-механических характеристик готового продукта. Экспериментальный стенд послойной стимуляции приведен на рис.1.
Рис.1. Блок-схема экспериментального стенда
В непроводящую термостойкую емкость засыпается шихта Ni+Al с инертными примесями. В шихте находятся на расстоянии L друг от друга тонкие электроды. В качестве электродов может выступать любая периодическая структура. К каждому электроду подсоединены предохранители FUn рассчитанные на ток срабатывания Ilim. Предохранители и нулевой электрод подсоединены к источнику напряжения величиной U. Источник тока используется для питания локального источника тепла – спирали, контактирующей с шихтой. Шихта имеет конечное удельное сопротивление ρ.
Нагретая до высокой температуры спираль инициирует реакцию СВС. Пройдя нулевой электрод, фронт горения образует движущийся в пространстве смеси электрод, поскольку спеченая шихта, как показано в рамках исследований, имеет малое удельное сопротивление по сравнению с удельным сопротивлением дисперсной среды. Поскольку смесь имеет проводимость, то ток, протекающий через движущийся и первый электрод, вызывает выделение в смеси джоулево тепло, которое компенсирует пониженный тепловой эффект системы шихта+инерт. Для предотвращения неуправляемого электротеплового взрыва предусмотрен предохранитель, срабатывающий при токе Ilim на некотором расстоянии от первого электрода. Нужно отметить, что в качестве предохранителей можно использовать электронные предохранительные схемы, либо сопротивления номиналом порядка сопротивления спеченой смеси. Реакция СВС последовательно стимулируется каждым звеном электродов.
Величина Ilim вычисляется по формуле, которая получена из теплового уравнения:
,
где 
- ток срабатывания предохранителей, 
- начальный ток, U – напряжение источника, S – поперечная площадь сечения ёмкости, ρ - удельное сопротивление смеси, L – период электродов, Padd – дополнительная мощность (находится экспериментально), 
.
Проведены эксперименты по стимуляции волны горения электрическим током. На рис.2 показан эксперимент по инициированию реакции СВС локальным нагревателем вдоль емкости в слабоэкзотермической смеси. Автоволновая реакция остановилась примерно на середине длины емкости за счет диссипации энергии. Применение метода послойной стимуляции электрическим током позволило поддержать автоволновую реакцию во всём реакционном пространстве без генерации электротеплового взрыва (рис. 3, 4). Предложенный метод также позволяет управлять скоростью реакции, в результате чего возможно получение композиционных материалов с заданными свойствами.
 |
