Macrokinetics of combustion of layered compositions with a low-melting inert layer.pdf Горение гетерогенных систем - один из экономичных и эффективных способов получения композиционных материалов. Для получения композиционных материалов методом горения формуется образец из смеси реагирующих и инертных порошков. После синтеза продукт представляет собой материал из продуктов реакции, заключенных в матрицу инертного вещества. Ограничением этого способа является выполнение необходимых и достаточных условий самораспространяющегося режима синтеза [1]. Дополнительные возможности получения композиционных материалов дает специальное формование исходной структуры образца путем чередования слоев из реагирующей смеси порошков и инертных веществ. Инертные вещества могут быть в виде порошков или пластин из легкоплавких элементов или сплавов. После синтеза образуется слоистый композит. В зависимости от исходных толщин слоев и их пористости слои синтезированного продукта, пропитанные инертным веществом, могут этим веществом разделяться (избыток инерта). В противоположном случае (недостаток инерта) - слои композиционного материала разделены пористыми слоями синтезированного продукта, не содержащего легкоплавкого вещества. В частном случае при определенном соотношении исходных параметров (толщина слоев, пористость) композиционный материал будет макроскопически однородным, то есть не иметь слоистой структуры. Экспериментальные исследования фронтального синтеза в слоистых системах проводились авторами [2-4]. Рассматривалось горение, как в направлении вдоль слоев (горизонтальный слоевой пакет), так и перпендикулярно к ним (вертикальный слоевой пакет). В [5] представлены результаты экспериментов по взаимодействию фольги из вольфрама с расплавом на основе Ni-Al в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). При соединении W-подложки с интерметаллидом NiAl в процессе СВС происходило образование сварного соединения толщиной 400 мкм. Математическое моделирование синтеза и формирование макроструктуры в направлении вдоль слоев (горизонтальный слоевой пакет) исследовалось в двухмерной постановке рассматривается в [6-10]. Следует отметить, что одномерный или двухмерный характер задачи определяется ориентацией слоев относительно направления распространения волны горения. В настоящей работе анализируется горение в перпендикулярном направлении слоевой композиции из двух пористых реакционных слоев, разделенных слоем легкоплавкого инертного вещества, и формирование макроскопической структуры продукта. Этот частный случай горения многослойной системы можно рассматривать как горение вертикального по терминологии [2, 3] слоевого пакета. Отметим, что на практике такая трехслойная композиция может быть использована для сварки синтезируемых тугоплавких продуктов, в том числе разных по обе стороны слоя инертного вещества. Математическое моделирование безгазового горения вертикального многослойного пакета рассматривалось в [11, 12]. Математическая модель Сделаем следующие предположения: 1. Горючая смесь стехиометрическая. Реакция проходит с образованием одного продукта и описывается простой брутто-схемой. При горении смесь A образует тугоплавкий продукт F, пористость которого равна пористости исходной смеси. 2. Плотности и теплоемкости смеси и продукта предполагаются равными. Равными также полагаются плотности и теплоемкости твердого инертного вещества и его расплава. 3. Капиллярное течение расплава в пористых каналах ограничено температурой каркаса, равной температуре плавления. При падении температуры расплава в зоне пропитки ниже температуры плавления жидкость кристаллизуется и течение в порах прекращается. 4. Втекающий в пористую реагирующую смесь расплав не влияет на кинетику синтеза продукта F. Рассмотрим образец, образованный двумя слоями горючей смеси, между которыми находится слой легкоплавкого инертного вещества. На рис. 1. представлены области, которые возможны в ходе синтеза и формирования конечного продукта. Уравнения теплопроводности в различных участках получим аналогично [13]. 0 y1(t) y2(t) ys(t) y4(t) ys(t) y Рис. 1. Структура образца: I - продуты горения безгазовой смеси, II - композиционный материал, III - слой металла, IV - композиционный материал, V - продукты горения безгазовой смеси, VI - свежая безгазовая смесь Fig. 1. Scheme of the sample: I, combustion products of gasless mixture; II, composite material; III, layer of metal; IV, composite material; V, combustion products of gasless mixture; and VI, fresh gasless mixture Исходная толщина слоя инертного вещества - y,(0) = y3(0) - y2, толщина слоя горючей смеси, расположенного слева от инертного слоя - y2, границы правого слоя горючей смеси удовлетворяют неравенству y3(t)

Скачать электронную версию публикации