УДК 537.533.2
СПОСОБЫ ВЛИЯНИЯ НА ТВЕРДОПЛАМЕННОЕ ГОРЕНИЕ В РЕЖИМЕ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА
В.В. Закусилов
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Научный руководитель – старший преподаватель
Актуальной проблемой ядерной энергетики является поиск новых материалов удовлетворяющих жестким требованиям радиационной и экологической безопасности. Одним из перспективных методов порошковой металлургии позволяющим получить материалы с необходимыми свойствами является самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
В 1967 году под руководством группе учёных из института химической физики АН СССР удалость открыть новый способ синтезирования веществ. В реакции в качестве реагентов использовались металлы, как горючее и неметаллы, в качестве окислителя, этот вид реакции получил название самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) – экзотермическая реакция, инициирование которой происходит локально, в результате чего химические превращения перемещаются по смеси в режиме волны горения (самораспространение) с образованием твёрдых продуктов. Особенностью такой реакции является практически полное отсутствие газовыделения и большое тепловыделение при химическом взаимодействии [1]. На рис. 1 представлены фотографии протекания СВ-синтеза в стационарном режиме с равномерным распределением фронта волны горения (все точки фронта волны движутся с постоянной скоростью).
| |||||
t=0 c | t=0,5 c | t=1 c | t=2 c | ||
Рис. 1. Реакция протекания самораспространяющегося высоко-температурного синтеза. |
Для реализации синтеза используется специальная установка, схематический чертёж, которой представлен на рис. 2.
|
Рис. 2. Экспериментальная установка для получения СВС материалов: 1 – корпус установки; 2 – инициирующая спираль; 3 – термопара; 4 – образец; 5 – теплоизолирующая подставка; УКТ – универсальный контроллер температуры; Н – вакуумный насос. |
Процесс горения в СВ-синтезе носит управляемый характер, реализуемый на трёх стадиях [2]:
· стадия подготовки компонентов шихты;
· стадия проведения СВ-синтеза;
· стадия охлаждение готовых продуктов.
Наиболее технологичной считается стадия подготовки, в которой, изменяя параметры шихты, появляется возможность воздействия на синтезируемые материалы. К методам воздействия на начальные параметры относятся механическая активация и давление прессования [2].
Механическая активация – процесс образования вещества с большей химической активностью, вследствие предварительной механической обработки [3]. Приобретённую во время активации энергию твёрдое тело усваивает в виде точечных и линейных дефектов. Накопленная избыточная энергия высвобождается в процессе синтеза. Помимо этого при механической активации уменьшается размер частиц, что увеличивает площадь контакта. Процесс механической активации можно наблюдать в устройствах способных к измельчению в ударном, ударно-истирающем или истирающем режимах. К подобным устройствам относятся центробежные, планетарные, струйные мельницы и другие аппараты, в которых сочетаются высокие значения частоты и силы механического воздействия. В сравнении с другими аппаратами планетарные мельницы обладают высокой эффективностью. В результате их использования происходит наибольшее накопление структурных дефектов, увеличивается кривизна поверхности [1, 2].
|
Рис. 2. Шаровая планетарная мельница АГО-2С |
В результате проведения механической активации реагентов наблюдается уменьшение исходных размеров частиц и повышение реакционной способности твёрдых реагентов, снижается температура инициирования реакции, структура становится более однородной, улучшаются механические свойства материалов (снижается пористость, повышается прочность, улучшаются пластические свойства).
Давление прессования исходных реагентов является одним из факторов влияния на получение конечного продукта СВ-синтеза. Прессование позволяет разрушить структуру исходной шихты, при этом наблюдается пластическая деформация и диффундирование частиц. В результате увеличении давления прессования смеси реагентов наблюдается увеличение её плотности до определённого момента.
|
Рис. 3. Гидравлический пресс ПЛГ-12 |
При увеличении давления прессования, а следовательно и плотности, контакт между исходными реагентами увеличивается, что позволяет снизить энергетические затраты на инициирование реакции снижая температуру инициирования, а также позволяет увеличить скорость горения и теплопередачи от горячего продукта к холодному. Низкая температура инициирования синтеза уменьшает термодинамические разрушения, что, несомненно, является большим плюсом в процессе создания новых материалов.
Если плотность смеси будет слишком большой – это отрицательно скажется на синтезе. Будет наблюдаться падение скорости горения, потому что произойдёт резкое увеличение теплоотвода из зоны реакции в исходную реакционную смесь. Как показывает практика образцы с большим значением плотности (90% от теоретической и выше) как правило, не поддаются поджогу, либо горение в таких смесях затухает [4].
Существует множество методов влияющих на протекание и управление СВ-синтезом. Наиболее распространённые и технологичные реализуются на стадии подготовки параметров шихты, к ним относятся механическая активация, давление прессование, влагосодержание и др. В работе изучены основные закономерности воздействия механической активации, давления прессования, на исходные параметры шихты, оказывающие значительное влияние на получение целевого образца. При использовании влияющих факторов оказывается воздействие на фазовые состояния, т. е. изменяются физико-химические свойства материалов. При использовании факторов появляется возможность не только управлять синтезом, но и получить объект с необходимыми свойствами.
Список литературы
1. , Мукасьян горение. – М.: Тороус пресс, 2007. – 336 с.
2. Исаченко, процессы как способ управления синтезом боросодержащих материалов на основе гексаборида лантана / Д. С. Исаченко, М. С. Кузнецов, А. О. Семенов, С. С. Чурсин, Д. Г. Демянюк, О. Ю. Долматов // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2013. – №4-2. – С. 151 – 154.
3. Лякишев словарь по металлургии. М.: Интермет Инжиниринг. 2000. – 251 с.
4. Физическая химия. Современные проблемы. Ежегодник. /Под ред. акад. . – М.: Химия, 1983. – С. 6 – 45.
