VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Введение

В настоящее время существует необходимость получения новых материалов с заданными свойствами. Перспективным способом получения таких материалов является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)[1]. Известно, что кинетику и пути химических реакций в СВС определяют процессы переноса тепла и вещества, происходящие на микроструктурном уровне. Управляя этими процессами можно добиться получения материала с заданными свойствами. Уточнение информации о механизмах формирования микроструктуры в волне горения позволит нам научиться управлять процессом СВС.

Целью статьи является изложение результатов исследования скорости распространения фронта горения СВС – реакции в зависимости от разбавления конечным продуктом.

Приборы и техника эксперимента

Для понимания механизма взаимодействия реагентов, определения оптимальных условий синтеза, процесс СВС подвергают экспериментальным исследованиям.

В нашей работе для исследования процесса СВС использовался высокоскоростной микропирометрический комплекс измерения температуры и скорости распространения пламен. [2-4]. Эксперименты проводили со стехиометрическими смесями алюминия (18%) и никеля (82%) при атмосферном давлении.

Кварцевый реактор длиной 20 см и диаметром 1,5 см., наполнили шихтой Ni-Al. Были проведены серии опытов при разбавлении СВС – шихты конечным продуктом в соотношениях 0%, 10%, 20%, 30%. Инициализация реакции осуществлялась путем локального нагревания верхней части поверхности шихты электрической спиралью. Регистрация процесса горения производилась с боковой поверхности образца при прохождении волны СВС в поле зрения 2 х 2 мм видеокамеры через оптический канал бинокулярного микроскопа МБС-10 на частоте 400 кадров в секунду и экспозиции 200 мкс[5-9]. Для осуществления последующей идентификации областей, были сделаны снимки насыпки шихты, и продуктов реакции при одинаковом фиксированном ортогональном освещении. Полученные видеофайлы анализировали на компьютере. Исследовалась зависимость скорости распространения волны реакции горения от процента разбавления шихты конечным продуктом.

Рис.1. Высокоскоростной микропирометрический комплекс.

Техническим средством системы получения информации является высокоскоростной микропирометрический комплекс измерения температуры и скорости распространения пламён. Программное обеспечение включает в себя пакет анализа экспериментальных данных Origin7 и свободно распространяемую программу обработки графических изображений ImageJ.

Покадровые изображения распространения волны горения СВС, полученное видеокамерой сохраняется в формате .avi. Этот файл содержит информацию о пространственном распределении энергетической освещенности на плоскости, в виде двумерных массивов точек. Обработка данного массива осуществляется в программе ImageJ.

Обсуждение результатов

Обычно, при разбавлении СВС – шихты конечным продуктом разбавителем температура горения уменьшается, а вместе с ней уменьшается и скорость горения. Однако, анализ изображения зарегистрированной яркости излучения, выделяемого при горении в зависимости от разбавления шихты, показал наличие максимума на графике 2 б). Это говорит о наличии того же пика температуры. Аналогичный пик обнаружен и зависимости температуры горения от процента разбавления конечным продуктом.

а) б)

Рис.2. а) График зависимости скорости распространения реакции горения от процентного разбавления шихты конечным продуктом; б)Графикзависимости температуры горения от процента разбавления конечным продуктом.

Интерметаллидное соединение NiAl образуется за время менее 0,1 с непосредственно в зоне реакции волны горения смеси Ni + Al → NiAl. При этом, в этих реакциях СВС алюминий играет роль окислителя. Известно, что зависимость скорости горения от мольного соотношения реагентов и относительной плотности образца носит подобный характер – это кривая с максимумом. Максимум на кривой U(α) обычно соответствует стехиометрическому соотношению реагентов, при котором наблюдается максимальный тепловой эффект реакции. И скорость горения уменьшается при отклонении соотношения реагентов в ту или другую сторону от стехиометрического.

а) б)

в) г)

Рис.2. Графики зависимости расстояния от времени.

При предельных значениях α порядка 0,25 и 4 она может уменьшиться в 25 раз. При этих значениях α наступает предел горения, так как при α < 0,25 и α >4 горение становится невозможным. СВС – системы при таких α не горят, их невозможно зажечь. Так, в ходе проведении экспериментов при разбавлении шихты 40% СВС - реакцию не удалось инициализировать. Существует также оптимальное значение относительной плотности шихты, при которой скорость горения максимальна. Известно, что зависимость скорости горения от относительной плотности исходной смеси имеют экстремальный характер, который объясняется различными тенденциями в изменении теплофизических и кинетических характеристик системы.

Рост скорости горения с повышением плотности происходит за счет увеличения теплопроводности материала, кроме того улучшаются условия протекания гетерогенной реакции за счет повышения числа контактов между частицами компонентов. При достижении некоторой критической плотности наблюдается расслоение образца в процессе реакции, что ведёт к уменьшению скоростей распространения тепла и горения. Причиной расслоения является, по-видимому, действие давления газообразных продуктов реакции в условиях малой газопроницаемости образца, ухудшающейся с ростом плотности.

После анализа результатов эксперимента мы может выдвинуть две гипотезы:

1. Так как исходное мольное соотношение реагентов одинаковое во всех случаях, а конечный продукт, используемый для разбавления смеси, содержал примесь недогоревшего вещества, что привело к изменению мольных соотношений и привело к появлению максимума на графике.

2.Конечный продукт не содержал недогоревшего вещества, на фотографии шлифов было видно, что у каждого продукта разная пористость к этому могла привести разная насыпная плотность. Чтобы проверить это, мы из конечных продуктов сделали образцы одинаковых размеров (объем), измерили их массу, выяснили, что плотность разная.

Заключение.

При изучении реакции уменьшение температуры горения путем разбавления исходной смеси конечным продуктом, выяснили, что происходит уменьшение скорости реакции и смена механизма от растворения к реакционной диффузии. Мы пришли к выводу, что вторая гипотеза более верная, потому что мольное соотношение исходной смеси одинаково, а разная плотность и пористость веществ дали максимум на графике.

Список литературы

1. Мержанов А.Г. Твердопламенное горение.- Черноголовка, ИСМАН, 2000. - 224с

2. М.П. Бороненко, П.Ю. Гуляев Фотометрические характеристики скоростной видеокамеры ВидеоСпринт при регистрации быстропротекающих процессов Publishing house Education and Science s.r.o.//Дни Науки 2012// URL: http://www.rusnauka.com/10_DN_2012/Tecnic/12_103951.doc.htm/(дата обращения 14.05.2012)

3. Использование высокоскоростной видеокамеры в микропирометрии быстропротекающих процессов. Бороненко М.П., Серегин А.Е. «Естественные и математические науки: вопросы и тенденции развития»: материалы международной заочной научно-практической конференции. (01 апреля 2013 г.) — Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. — 150 с.

4. Евстигнеев В.В., Милюкова И.В., Гуляев И.П, Соломенцев С.Ю., Амброськин И.Е. Влияние инертных добавок на теплофизические характеристики СВ-синтеза в системе Ni-Al. //// Труды всероссийской конференции «Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов» (Москва, 24-27 июля 2002г.), типография ИСМАН.Черноголовка.2002.-С.391-395.

5. Идентификация быстропротекающих процессов горения с помощью стробоскопического метода. Бороненко М.П., Иванов А.А.Сборник трудов Всероссийский молодежный конкурс научно-исследовательских работ по фундаментальной и прикладной физике – 2012., НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э.Баумана, т1 С.14-20

6. Track analysis of particle velocity flow of plasmotron with continual powders. Бороненко М.П., Гуляев.П.Ю. International Conference on the Methods of Aerophysical Research, August 19 – 25, 2012, Kazan, Russia: Abstracts. Pt. II /– Kazan, 2012. – 47-49 P.

7. Identification of quickly proceeding processes of burning by means of a stroboscopic method. Boronenko M.P., A.A. Ivanov, S.A. Osipenko, I.Ju. Permjakov, A.A. Petelin International Conference on the Methods of Aerophysical Research, August 19 – 25, 2012, Kazan, Russia: Abstracts. Pt. II /– Kazan, 2012. – 49-50 P.

8. Бороненко М.П., Гуляев П.Ю.,Серегин А.Е СВ-синтез наноструктурных материалов ni-al-ze для каталитической конверсии попутных нефтяных газов Нанотехнология в теории и практике: Всероссийская научная Интернет-конференция с международным участием : материалы конф. (Казань, 22 мая 2013 г.) / Сервис виртуальных конференций Pax Grid ; сост. Синяев Д. Н. - Казань : ИП Синяев Д.Н., 2013. - 174 с

9. Атюцкая Л.Ю., Бебия А.Г. Бороненко М.П. Экспериментальное исследование твердопламенного горения системы NI-AL методом скоростной видеосъемки., «Physical, mathematical and chemical sciences: theoretical trends and applied studies» Materials digest of the LI International Research and Practice Conference and I stage of the Championship in physical, mathematical and chemical sciences (London. May 21 - May 26.2013, P 34-38.

Код для цитирования: Скопировать