CC BY
54
ФИЗИКА_________________________________________________________________
УДК 53.082.5, 620.179.1.0825.5.05
А.В. Калачёв, П.Ю. Гуляев, В.И. Иордан Исследование тепловой структуры волны горения в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
Введение. Для выявления особенностей реагирования исходных веществ в волне горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и углубления представлений о происходящих процессах необходимо применять методы исследований, обеспечивающие высокую достоверность получаемой информации ^1, 2]. В настоящее время основными направлениями в исследовании процессов горения гетерогенных систем являются:
— исследование микроструктуры волны горения (масштаба неоднородностей, характера и скорости распространения фронта горения) [3,4];
— изучение процессов фазовых и структурных превращений, приводящих к установлению структуры конечных продуктов) [2];
- исследование влияния структуры гетерогенной смеси на процесс горения [5, 6];
- исследование химической кинетики СВС по эффектам тепловыделения [1].
Особое внимание исследователей обращается на нестационарные режимы протекания СВС [1, 2]. Исследования тепловой структуры волн горения в таких режимах показывают наличие существенных температурных неоднородностей и кратковременных высокотемпературных очагов горения, а также отличие микроструктуры волны горения от структуры, традиционной для теории горения. Температура в очагах существенно превышает адиабатическую температуру горения. Замена температурного профиля (пространственной структуры волны горения) термограммой (временной разверткой процесса измерения температуры в определенной пространственной точке) в силу невыполнения условия эргодичности процесса измерений по отношению к глобальной структуре волны горения неправомерна.
Таким образом, можно сформулировать несколько проблем. Во-первых, существует проблема описания процесса теплопереноса в пористых гетерогенных средах с изменяющейся структурой и физическими свойствами. Во-вторых, многообразие механизмов теплообмена и циклическая смена доминирующего механизма в процессе эволюции волны горения приводят к неоднозначной оценке роли каждого из них. В третьих, необходимо определить методы и сред-
ства управления этими механизмами. Недоста-И точная изученность механизмов формирования ■ микроструктуры в волне горения не позволяет Я оптимально управлять процессом СВС для по-И лучения материалов с заранее предопределен-1 ной структурой. Исследования температурной ■ динамики и процессов тепло- массопереиоса зат- I руднены из-за неприменимости контактных ме- ■ тодов измерения температуры в дисперсныхИ средах в пределах 50-70% пористости, что ха-1 рактерно для образцов с насыпной плотностью. И Причем процессы массопереиоса рассматрива- ■ ются в пределах масштаба гетерогенности за счет I взаимной диффузии реагентов, а теплоперенос ■
- в масштабах тепловых структур стационар-■ ной волны горения, распространяющейся по все- Л му реакционному объему. Применение бескон-И тактных оптических методов пирометрии даетИ недостоверные результаты без учета излуча-И тельной способности материалов, образующих-И ся в ходе синтеза. Поэтому актуальной является ■ разработка экспериментальных методов иссле-И дования закономерностей и механизмов возник-И новения локальных тепловых структур в СВСи I определения их теплофизических характеристики Исследование характеристик волны горения! сводится к разработке методики учета измене-И ния излучательной способности высокопористых ■ материалов в процессе СВС и эксперименталь-И ных методов определения характеристических! масштабов тепловой структуры волны горения! Разработка физической модели, объясняющей! структуру теплового профиля волны горения! базируется на определении теплофизических! характеристик материала в волне горения и на I исследовании роли различных механизмов теп-! лообмена.
Физическая модель квазипериодической! структуры слоистой среды. При малой плотнос-1 ти (пористость 50—70%) образуется пористая! структура продукта в волне горения. Заметную роль в дополнении к кондуктивной теплопередаче играет конвективная передача за счет отвода тепла вверх по образовавшимся порам и за счет продувки расширяющимися при нагреве газами, а также радиационный (лучистый) теплоперенос. Результаты моделирования укладки частиц порошка с учетом сил поверхностного
сцепления и веса частиц порошка представле- дель укладки с учетом подпрессовки и предва-ны на рисунке 1а. На рисунке 16 приведена мо- рительного формования смеси.
Рис. 1. Модель структуры насыпной пористости (а) и модель структуры с давлением подпрессовки 25 МПа (б)
В результате анализа модели для структур типа «а» (рис. 1а) и шлифов образцов (рис. 5) можно говорить о квазипериодической структуре слоистой пористой среды. В качестве физической модели одного слоя предлагается модель (рис.
2) в виде двух пластин, расположенных парал-' лельно фронту волны горения и находящихся на 1 расстоянии с1 друг от друга. Процесс теплового взаимодействия между слоями частиц можно свести к задаче теплообмена двух пластин, соединенных многочисленным! теплопроводящими каналами некоторого сечения, обеспечивающими кондуктивный механизм теплопереноса между пластинами. Сечение каналов выбирается в соответствии с размерами контактных площадок частиц в структурах типа «а» либо экспериментально по поперечному шлифу образца (рис. 5). В общем случае такие физические параметры пластин, как температуропроводность а, теплопроводность Я, теплоемкость с, плотность с, излучательная способность в, температура Т и длина теплопроводящих каналов й, переходя от слоя к слою, могут несколько различаться. Поэтому можно говорить лишь о квазипериодичности слоистой структуры пористой среды. Далее, обозначения с индексом 1 относятся к верхнему слою, с индексом 2 - к нижнему.
Введем дополнительно ряд параметров: 5 - общая площадь поперечного сечения, - общая пло-
ФИЗИКА
фана-Больцмана. Отношение радиационного к кондуктивному потоку выглядит следующим образом:
=
ФР -Т})5и
<*>
(3)
т-Тгр' ■
Рассматривается следующая схема прохождения волны горения:
стадия 1 - прогрев следующего слоя исходной смеси до температуры зажигания, при этом доминирующим является поток лучистой энергии от предыдущего слоя;
стадия 2 - саморазогрев и интенсивное горение прогретого слоя, образование следующей поры продукта (изменение структуры материала) за счет быстропротекающего температурного расширения газа в прилегающем объеме и переуплотнения рыхлой структуры типа «а» до структуры типа «б»;
3 стадия - прогрев следующего слоя через пространство образовавшейся поры продукта, завершение формирования слоя, переход к стадии 1.
Механизм и стадии изменения структуры материала в ходе горения порошковой смеси при образовании жидкого продукта(или легкоплавкой эвтектики) условно изображены на рисунке 3, где:
область «1» — применительно к модели образования слоистой структуры: 1 - продукт, 2 — исходная смесь, а расстояние Дх определяется средним расстоянием между частицами порошка или их агломератами, параметр X - теплопроводностью смеси;
область «2»: 1 — продукт, 2 — порошок, Дх определяется локальной усадкой материала при образовании жидкой фазы, аХ - эффективной теплопроводностью смеси продукта и исходного порошка;
область «3»: 1 - продукт, 2 - продукт, Дх определяется локальной усадкой материала при образовании жидкой фазы, а X - теплопроводностью продукта.
Таким образом, образуется слоистая структура с высокой объемной пористостью (50-70%), волна горения в которой распространяется в эстафетном режиме [1]. Этот режим сопровождается сверхадиабатическим эффектом при передаче тепла от одной пластины к другой, а приведенная выше модель объясняет циклическую смену доминирующего механизма в ходе эволюции волны горения. Здесь х - это эффективная толщина проникновения тепла в порошок (глубина прогрева), Дх - средний размер
В
ш
Й§1
5553 С
ш
Гис. 5. Изменения структуры материала в ходе горения порошковой смеси при образовании жидкого продукта (или легкоплавкой эвтектики). С - исходная порошковая смесь,
П - продукт реакции
поры в направлении распространения волны горения. Размер поры зависит от исходной плотности смеси ри и плотности конечного продукта рп.
Благодаря тому, что первоначально, под воздействием потока лучистой энергии, плавление происходит в сравнительно узкой зоне, изменения макроскопических размеров образца не происходит. Вполне логично предположить, что стягивание расплавленного материала происходит преимущественно в сторону зоны догорания и в направлении, параллельном движению волны горения. Принимая уменьшение линейных размеров материала слоя по этим направлениям одинаковым, можно оценить и размеры пор (рис. 4). I Возьмем некоторый элемент объема исходного порошка У0, при плавлении пористый материал превращается в монолитный с уже другой плотностью и объемом. Объем У0 переходит в ему подобный объем Ук (рис. 4);
Рис. 4. Изменение объема и линейных размеров расплавленного слоя
V = аЬс => Ук = к^аЬс , где к - коэффициент пропорциональности.
О V Рк
Отсюда изменение линейных размеров будет равно:
Ддг = х0-х* =х0(1 -к). (4)
Соотношение Np в различных зонах волны горения (на рисунке 3 выделены области 1-3) зависит от теплопроводности материала, характерного расстояния между слоями Ах и температур слоев.
Из рисунка 5 видно, что образовавшийся материал имеет пористую структуру, характер которой различается в зависимости от выбранного направления относительно распространения волны горения, указанного на рисунке стрелкой. Образуются слои в продольном направлении 1 с тонкими хаотичными перемычками материала между ними, а в поперечном срезе - 2.
С
Рис. 5. Продольный (1) и поперечный (2) шлиф сгоревшего образца
На рисунке 6 представлены кадры СВС в системе №-А1, снятые при помощи ПЗС-фотокаме-ры (время экспозиции 2 мс, скорость съемки 30 кадров в секунду, размер области в кадре 3000x2250 мкм, пористость 65%).
При сопоставлении видеокадров процесса горения с исходной и конечной структурами образца видно, что ярким зонам соответствует образовавшаяся пора в готовом продукте (рис. 7). Расчеты размеров пор по (4) дают неплохое согласие с видимым размером пор (рис. 7). Наблюдаемая ширина зоны горения пропорциональна тепловой полуширине (рис. 8).
Области пор на рисунке 8 выделены штриховкой. Как видно, меняется структура материала. В ней можно выделить область, занятую исходной смесью, пористый слой образовавшегося продукта (конечного или промежуточного) и промежуточный слой между ними. Тепловые характеристики у них существенно различаются, и как следствие этого, изменяется характер теплообмена (рис. 9). Температура в пористом слое быстро выравнивается, и на теплообмен существенное влияние оказывает тепловое излучение Ир » (0.2+0.45). В промежуточном слое доля радиационного потока мала N р * (0.01+0.05), т.е. преобладает кондуктивиая передача тепла.
Выводы. Волна горения СВС, распространяющаяся в дисперснофазных средах с высокой объемной пористостью порядка 50—70%, связана с образованием слоистых квазипериодичес-ких структур и циклической сменой доминирующего механизма теплопередачи. Предложена модель теплообмена в структуре волны горения,
■ ■ V- .г*ар-<- •
$ .
Рис. 6. Кадры СВС в системе №А1 107
