Особенности управляемого объемного синтеза композитов | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/175

Особенности управляемого объемного синтеза композитов

Проанализированы закономерности объемного синтеза композита в цилиндрическом реакторе с учетом основных управляющих параметров. Учитывается распределение температуры по объему реактора, различие свойств реагента и реактора, а также две суммарные стадии, первая их которых соответствует синтезу оксидных включений и является экзотермической, вторая суммарная стадия соответствует формированию матрицы. Показано, что для разных частных вариантов управления процессом нагрева возможна реализация почти адиабатических условий, классический тепловой взрыв в условиях теплообмена с окружающей средой, динамическое инициирование реакции при разных скоростях нагрева и режим синтеза при понижении температуры с формированием неравновесного состава. Все названные режимы реализуются в экспериментальных условиях.

Features of controlled volume synthesis of composiyes.pdf Введение Некоторые чистые металлы и многие сплавы могу быть получены при использовании металлотермических реакций [1]. Среди металлотермических процессов ведущее место занимает алюмотермия - восстановление металлов из оксидов алюминием. Подобные процессы могут быть использованы для получения композитов с упрочняющими оксидными включениями. В этом случае тепловыделение вследствие реакции восстановления может способствовать синтезу в режиме теплового взрыва или послойного горения, а разбавление смеси конечным продуктом синтеза наряду со скоростью внешнего нагрева может использоваться как управляющий фактор. Например, в [2] композиты с оксидными включениями были получены из смесей порошков TiO2-Al и TiO2-Al-C. В первом случае титан восстанавливается расплавом Al из оксида TiO2 с образованием Al2O3, а затем далее вступает в реакцию с оставшимся алюминием. Во втором случае титан может взаимодействовать с углеродом с образованием карбида, а затем - тройного соединения. Подобный композит с матрицей из смеси TiAl и Ti2AlC получен и в [3] в режиме горения. В работах [4, 5] композитные порошки Al2O3-TiC были синтезированы в режиме горения из смеси тех же порошков, причем при низком содержании углерода реакции завершались не полностью. Более сложные смеси для получения композитов использованы в [6]. Многофазный продукт содержит в разных пропорциях интерметаллиды TiAlx, FeAlx и Ti2Fe. При увеличении температуры синтеза некоторые из фаз могут разлагаться; остаются устойчивые соединения TiC, Al2O3 в матрице на основе железа. Композиты на основе титана, упрочненные равномерно распределенными частицами Al2O3 и TiB2, получены в [7]. В процессе горения смеси Ni + Al + xCr2O3 происходит формирование многофазного продукта, содержащего основные фазы NiAl, Al2O3, Cr и остаточное количество свободного никеля [8]. Композит с включениями оксида алюминия в интерметаллидной матрице с взаимопроникающими фазами TiAl-Ti3Al синтезирован в [9] . Плотные композиты c матрицей на основе Fe-Cr-Ni, упрочненной оксидными включениями, были получены в [10] с приложением внешнего давления. Металлотермические реакции были использованы для получения плотных композитов со взаимопроникающими фазами Al2O3 и алюминидов Ti, Fe, Nb [11, 12]. Представленные примеры и описанные в публикациях результаты исследования материалов говорят о возможности управления составом и структурой продуктов за счет выбора подходящих условий синтеза, что, в конечном счете, и определяет механические и прочностные свойств [13, 14]. Цель настоящей работы состоит в установлении термокинетических особенностей объемного синтеза многофазного композита в реакторе при наличии двух химических стадий. Постановка задачи Рассматриваем цилиндрический реактор (рис. 1), в котором находится смесь порошков 1, способных к химическому реагированию. Нагрев смеси может осуществляться через стенки реактора 2, которые, в свою очередь, нагреваются до высокой температуры, или от плунжера 3, с помощью которого реагирующая смесь или горячие продукты реакции сжимаются до плотного состояния. В первом случае нагрев в первом приближении можно считать однородным по всей высоте реактора, так что процесс будет зависеть только от координаты r. Во втором случае, полагая стенки реактора адиабатически изолированными, можем считать, что процесс развивается только в направлении оси 0Z. В настоящей работе остановимся на первом варианте. Рис. 1. Геометрия задачи: 1 - реакционная смесь; 2 - стенки реактора; 3 - плунжер Уравнение теплопроводности для области 1 запишем в виде , , (1) где - температура; - время; , и - теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности смеси реагентов (реагентов и продуктов), зависящие в общем случае от пористости. Второе слагаемое в уравнении (1) есть суммарное тепловыделение в химических реакциях. Для исходной смеси, содержащей Al, Fe2O3; Fe; Cr; Ni, так что в результате формируется оксид Al2O3 и сплав , можно предложить суммарную схему реакций, состоящую из двух основных стадий. Так, в [10] для смеси с начальным составом реагентов 2.0:1.0:2.9:3.2:1.9 предложена условная схема: ; (2) , (3) которую формально можно рассматривать как две последовательные стадии: реагент - промежуточный продукт - конечный продукт реакции. Этой суммарной схеме соответствует система кинетических уравнений [15] ; (4) , (5) где - массовая доля суммарного реагента; - массовая доля промежуточного продукта; - энергии активации реакций; - предэкспоненты; R - универсальная газовая постоянная. Тепловыделение в реакциях в этом случае записывается в виде . Заметим, что такой упрощенной схеме удовлетворяют и реакции, которые протекают в некоторых других системах [2-8], когда ожидаемый результат - сплав с упрочняющими оксидными включениями. Одна из реакций, соответствующая образованию упрочняющих частиц, - экзотермическая; вторая реакция, соответствующая формированию матрицы некоторого состава, может быть суммарно и экзотермической, и эндотермической. Разные варианты суммарных схем для многостадийных реакций в теории СВС обсуждаются, например, в [17]. Для стенок реактора уравнение теплопроводности имеет вид . (6) Граничные и начальные условия принимаем следующими: ; , ; ; ; . Температура стенок вакуумной камеры либо фиксирована, либо изменяется по заданному закону, например . При достижении температурой некоторого заданного значения TW* нагрев может прекращаться: реактор помещается в адиабатические условия или температура нагревателя TW резко падает до начальной T0. В отличие от традиционных моделей объемного синтеза [16, 18, 19 и др. ], в представленной модели учитывается распределение температуры в реакционной смеси, что позволяет, например, выявить возможный неоднородный прогрев, являющийся одной из причин неполноты превращения [5]. Поскольку для суммарных реакций типа (3) формально-кинетические параметры неизвестны, предэкспоненциальный фактор в (2) зависит от структурных параметров (которые невозможно при макроскопическом описании учесть явно), теплофизические свойства зависят от состава, который изменяется вместе с реакциями, исследование задачи в физических переменных нецелесообразно. Для изучения качественных закономерностей и возможных режимов развития реакции перейдем к безразмерным переменным, типичным для теории горения и взрыва, полагая, что свойства реакционной смеси оцениваются некоторыми средними величинами. Это позволит выявить параметры, с помощью которых можно управлять процессом синтеза. Тогда в безразмерных переменных , , , , где - время, в течение которого первая реакция полностью завершается в адиабатических условиях, задача принимает следующий вид: , ; (7) ; (8) ; (9) , ; (10) ; (11) : , ; (12) : ; (13) , ; (14) . Модель содержит несколько безразмерных параметров, от которых зависит результат: , , , , , , , , , , , . Часть параметров известна из теории горения и теплофизики. Например, - обычные малые параметры,

Ключевые слова

синтез композитов, двухстадийная кинетика, термофизические закономерности, composite synthesis, two stage kinetics, thermal-physical regularities

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Князева Анна Георгиевнаитут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университетд.ф.-м.н., зав. лаб. KM ИФПМ СО РАН, профессор НИ ТПУanna-knyazeva@mail.ru
Травицкий НахумУниверситет Ерлангена-Нюрнбергапрофессор, руководитель Группы аддитивных технологийnahum.travitzky@fau.de
Всего: 2

Ссылки

Belitskus D. // J. Metals. - 1972. - No. 1. - P. 30-34.
Amirkaveei1 A. and Saidi A. // Iran. J. Mater. Sci. Eng. - 2012. - V. 9. - No. 4. - P. 52-58.
Yeh C.L., Kuo C.W., and Chu Y.C. // J. Alloys Compd. - 2010. - V. 494. - P. 132-136.
Niyomwas S. // Energy Procedia. - 2011. - V. 9. - P. 522-531.
Ahmed Y.M.Z., Zaki Z.I., Bordia R.K., et al. // Ceramics Int. - 2016. - V. 42. - P. 16589-16597.
Meng S., Zhang X., and Zhang W. // Key Eng. Mater. - 2007. - V. 336-338. - P. 2340-2343.
Tao C., Zhuli U., and Heguo Z. // J. Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. - 2017. - V. 32(3). - P. 650-653. DOI: 10.1007/s11595-017-1648-0.
Боярченко О.Д., Сычев А.Е., Умаров Л.М. и др. // ФГВ. - 2017. - Т. 53. - № 1. - С. 48-54.
Travitzky N., Gotman I., and Claussen N. // Mater. Lett. - 2003. - V. 57. - P. 3422-3426.
Travitzky N., Kumar P., Sandhage K.H., et al. // Mater. Sci. Eng. - 2003. - V. A344. - P. 245- 252.
Fahrenholtz W.G., Ewsuk K.G., Loehman R.E., and Tomsia A.P. // Met. Mater. Trans. - 1996. - V. 27A. - P. 2100-2104.
Breslin M.C., Ringnalda J., Xu L., et al. // Mater. Sci. Eng. A. - 1995. - V. 195. - P. 113.
Ходоренко В.Н., Аникеев С.Г., Гюнтер В.Э. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 6. - С. 17-23.
Сенкевич К.С., Гусев Д.Е. // Физич. мезомех. - 2017. - Т. 20. - № 6. - С. 105-111.
Saxena A., Singh N., Kumar D., and Gupta P. // Mater. Today: Proc. - 2017. - V. 4. - P. 5561- 5570.
Боровиков М.Б., Гольдшлегер У.И. // ФГВ. - 1981. - Т. 17. - № 5. - С. 106-112.
Некрасов Е.А., Тимохин А.М. // ФГВ. - 1986. - Т. 22. - № 4. - С. 48-55.
Лапшин О.В., Овчаренко В.Е. // ФГВ. - 1996. - Т. 32. - № 3. - С. 68-76.
Евстигнеев В.В., Филимонов В.Ю., Кошелев К.Б. // ФГВ. - 2007. - Т. 43. - № 2. - С. 52-57.
Мержанов А.Г. // Докл. АН СССР. - 1961. - Т. 140. - № 3. - С. 637-640.
Мержанов А.Г., Струнина А.Г. // Научно-технические проблемы горения и взрыва. - 1965. - № 1. - С. 59-68.
Барзыкин В.В. // ФГВ. - 1973. - Т. 9. - № 1. - С. 37-54.
Филимонов В.Ю. // ФГВ. - 2008. - Т. 44. - № 4. - С. 31-38.
Dvilis E.S., Knyazeva A.G., Sorokova S.N., and Khasanov O.L. // Key Eng. Mater. - 2016. - V. 712. - P. 237-240.
Knyazeva A. and Travitzky N. // MATEC Web of Conf. - 2017. - V. 115. - Р. 04004 (5 р.).
 Особенности управляемого объемного синтеза композитов | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/175

Особенности управляемого объемного синтеза композитов | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/175