CC BY
17
УДК 004.94:666.798
Попов В.И., Панченко М.В., Мамонова Н.В, Кольцова Э.М.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ И ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ КЕРАМОМАТРИЧНОГО И ОКСИДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ
Попов Всеволод Игоревич, студент 1 курса магистратуры факультета информационных технологий и управления, e-mail: phagonix@mail.ru;
Панченко Мария Владимировна, студент 1 курса магистратуры факультета информационных технологий и управления;
Мамонова Наталья Владимировна, студент 1 курса магистратуры факультета информационных технологий и управления;
Кольцова Элеонора Моисеевна, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой информационных компьютерных технологий;
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
В настоящей работе рассматривается компьютерное моделирование процессов распылительной сушки и последующего спекания керамических композитов. В процессе сбора экспериментальных данных для уточнения параметров математической модели были рассмотрены композиты Al2O3-ZrP2-Y2P3-YHT и Л12Р3-УНТ, подобраны оптимальные для данных композитов и использованных устройств режимы их обработки и диспергирования. В результате работы был проведен анализ протекающих явлений и создана математическая модель процесса, реализованная в компьютерной программе.
Ключевые слова: распылительная сушка, искровое плазменное спекание, моделирование.
COMPUTER SIMULATION OF THE PROCESS OF SPRAY-DRYING AND SPARK PLASMA SINTERING OF CERAMOMATRIX AND OXIDE COMPOSITES REINFORCED BY CARBON NANOTUBES
Popov V.I., Panchenko M.V., Mamonova N.V., Koltsova E.M. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Current work contains a result of computer modeling of spray-drying and spark plasma sintering processes for ceramic composites. In the process of gathering experimental data for fine-tuning of mathematical model parameters, Al2O3-ZrO2-Y2O3-CNT and Al2O3-CNT composites were used and optimal conditions for processing and dispersing them were determined. Result of this work consists of analysis of the involved phenomena and creation of a mathematical model of the process realized in a computer program.
Keywords: spray-drying, spark plasma sintering, computer simulation, modeling.
Целью данной работы является моделирование процессов распылительной сушки и искрового плазменного спекания (ИПС) керамоматричного и оксидного композиционного материала,
армированного углеродными нанотрубками (УНТ), для последующей оптимизации параметров процессов и получения композитов с нулевой пористостью и высокими прочностными характеристиками.
В данной работе рассматривались композиты л120з-2г02-у20з-УНТ и Al2Oз-УНТ.
Процесс экспериментального получения композитов состоял из следующих стадий:
- приготовление композита Al2O3-ZrO2-Y2O3 эвтектического состава и оксида Al2O3 с помощью метода обратного гетерофазного соосаждения и термообработки;
- получение однородной суспензии УНТ и матрицы;
- получение гомогенной суспензии композит-УНТ (распылительная сушка);
- ИПС при различных температурных режимах и с различной выдержкой.
Добавление УНТ в состав композитных материалов приводит к улучшению ряда характеристик композита. Так, например, УНТ, благодаря высокому модулю упругости при растяжении (~1 ТПа), добавляет жесткость композиту [1]. Также добавление УНТ в композит позволяет повысить удельные значения прочности и жесткости и расширить диапазон рабочих температур.
Тем не менее, процесс добавления УНТ сопряжен с рядом проблем, одной из которых является неоднородное распределение трубок в композите из-за склонности УНТ образовывать сростки и агрегировать в водных средах [2]. Чтобы устранить эту проблему, было принято решение подвергнуть трубки и порошки диспергированию ультразвуком. Экспериментально было подобрано поверхностно-активное вещество из следующих вариантов: ДМФА (диметилформамид), ПВС
(поливиниловый спирт) и Triton X-100 (октилфенол этоксилат). Оптимальные параметры для процесса диспергирования, такие как массовое содержание ПАВ в водном растворе, частота и продолжительность импульсов и длительность обработки, также определялись экспериментальным путем. При этом концентрация ПАВ в водном растворе варьировалась от 0,1% до 5%, а длительность обработки от 15 до 60 минут. В результате серии экспериментов в качестве оптимального для данного процесса ПАВ был выбран ПВС.
Главной задачей при получении композиционных материалов, армированных УНТ, является получение гомогенного распределения нанотрубок в матрице. Требуется, чтобы нанотрубки были как разделены друг от друга, так и наиболее однородно распределены по всему объему композита. При выполнении этих условий каждая углеродная нанотрубка будет подвергаться нагрузке индивидуально, нагрузка будет сосредоточена в
граничной области между нанотрубкой и матрицей
[3].
После процесса диспергирования полученные суспензии сливались и подвергались сушке для формирования композитного порошка с частицами сферической формы.
Для гомогенного распределения компонентов композитного порошка использовался метод сушки распылением. Композитный шликер впоследствии сушится с помощью горячего газового распыления в специальной камере.
Для создания в последующем модели процесса распылительной сушки порошок был разделен на несколько частей, в дальнейшем эксперименте варьирующихся по объемному содержанию твердой фазы в суспензии. Это позволило провести эксперимент при разных параметрах процесса и получить дополнительный массив
экспериментальных данных для моделирования. Моделирование процесса проводилось с помощью программного пакета Fluent и моделей Эйлера и Эйлера-Лагранжа (рис. 1).
а)
Объемная ДОЛЯ ЧЙСТНЦ I. р
и среде камеры сушилки
■ 2.00е-04 1 Э0е-04 1,80е-04 1.70е-04 1.60е-04 1 50S-04 1,40е-04 1.30е-04 1,20е-04 1.10е-04 1.00е-04 9.00е-05 S.00e-05 7.00е-05 6.00е-05 5 00е-05 4.00е-05 3.00е-05 2.00е-05 1 00е-05 О.ООе+ОО
Рис. 1. Результат моделирования с помощью программного пакета Fluent процесса распыления частиц композита в камере распылительной сушилки при использовании для обеих сред метода Эйлера (а) и метода Эйлера-Лагранжа (б)
В результате сравнения моделей с реальным объектом моделирование на основе метода Эйлера-Лагранжа было выбрано как более точно соответствующее экспериментальным данным. При этой модели жидкая фаза рассматривается как сплошная среда и моделируется с использованием уравнений Навье-Стокса. В векторном виде для жидкости они записываются следующим образом: а» Г Г Г ! Г
— = -(В • V)» + уА»- - Ар + / , (1) а? р
где » - векторное поле скоростей, м/с;
V - оператор Гамильтона; Д - оператор Лапласа;
? - время, с;
V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; р - плотность, кг/м3;
р - давление, Па;
/ - векторное поле массовых сил, Н.
Дисперсная фаза в модели Эйлера-Лагранжа решается путем расчета траекторий большого
количества частиц, пузырьков или капель в движении несущего потока. Дисперсная фаза может обмениваться импульсом, массой и энергией с жидкой фазой.
Основополагающее допущение, сделанное в этой модели, заключается в том, что диспергированная вторая фаза занимает небольшую объемную долю, хотя допустима высокая массовая нагрузка (^частицы > ^жидкости). Траектории частиц или капель вычисляются индивидуально через определенные интервалы во время расчета жидкой фазы.
Полученная модель позволяет определить оптимальные параметры процесса распылительной сушки.
Следующий этап получения композита -искровое плазменное спекание. Малое время процесса ИПС позволяет сократить рекристаллизацию зерна матрицы и при использовании оптимального режима спекания получить композиты с малой пористостью [4].
Искровое плазменное спекание композитных порошков производили на установке HP D 25 (FCT Systeme GmbH, Германия). Давление, рабочая атмосфера, скорость нагрева, температура обжига и время выдержки устанавливались с помощью программы. Максимальная температура спекания изменялась в диапазоне от 1550°C до 1650°C. Время изотермической выдержки при максимальной температуре составило 3 мин для всех образцов, давление - 20 кН.
Для основы математической модели использовалась зависимость физико-механических свойств композитов от пористости материала. Модель выражает изменение во времени функции распределения пор порошковой прессовки по размерам. При составлении математического описания изменения пористости порошков при ИПС
физико-химическая сущность протекающих процессов учитывалась за счет включения в модель следующих параметров: темп нагрева, максимальная температура нагрева, время выдержки при максимальной температуре, содержание УНТ в композите, текущее состояние порошковой прессовки.
Полученная математическая модель
использовалась для проведения численных экспериментов по ИПС для определения изменения функции распределения пор по размерам, изменения среднего диаметра поры и общей пористости порошковой прессовки в каждый момент времени. На рисунке 2 представлены результаты при наиболее оптимальном режиме спекания для А12О3^гО2-У2О3-УНТ (1% об.): нагрев до 1650°С за 3 мин; время выдержки - 3 мин.
Пористость,% 70
Функция распределения ПО"14 см-1
Время, с 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Диаметр поры, мкм
Рис. 2. Результаты расчетов изменения пористости композитного порошка А12О3-2гО2-У2О3-УНТ (1% об.) в процессе ИПС (а) и характер изменения вида функции распределения пор по размерам (б): 1 - до спекания, 2 - после стадии
нагрева, 3 - после стадии выдержки
Проведенное моделирование затрагивает два этапа процесса получения композиционного материала, армированного углеродными
нанотрубками: распылительную сушку и последующее спекание керамических композитов. При моделировании процесса сушки установлено, что метод Эйлера-Лагранжа позволяет получить результаты, которые более точно соответствуют экспериментальным данным. Были получены результаты, близкие к экспериментальным данным. Проведено математическое моделирование процесса искрового плазменного спекания, и для композитного порошка Al2O3-ZrO2-Y2O3-УНТ определен оптимальный режим спекания композита.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение № 14.574.21.0158, уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI57417X0158.
Список литературы
1. Протасов Д.Н., Герасимов Р.И., Макаров Н.А. Керамоматричные композиты на основе оксида алюминия // Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т. 30, № 7 (176). С. 91-92.
2. Ultra-low electrical percolation threshold in carbon-nanotube-epoxy composites / Sandler J.K.W. [et al.]. Polymer. 2003. V. 44, № 19. P. 5893-5899.
3. Harris P.J.F. Carbon nanotube composites // International Materials Reviews. 2003. V. 49, № 1. P. 31-43.
4. Федосова Н.А., Кольцова Э.М., Попова Н.А., Жариков Е.В. Керамоматричные композиты, модифицированные углеродными нанотрубками: искровое плазменное спекание, моделирование, оптимизация // Новые огнеупоры. 2015. № 12. С. 1317.
