CC BY
12
Список литературы
1. Кожин Д. О., Повышение уровня безопасности на улично-дорожной сети за счет оптимизации дорожного движения [Текст] / Д.О. Кожин, В.В. Евграшин, Д.Е. Алек-минский, Ю.Н. Баранов//Наука и безопасность. 2015-№ 1 (14)-С. 14-18.
2. Baranov Yu.N, Kozhin D.O., Alekminskii D.E., Evgrashin V.V., Factors determining the dangerous action of the driver while driving // SWorldJournal. 2015. Т. 11. № 1 (8). С. 37.
3. Новиков А.Н., Оценка эффективности функционирования системы подготовки кадров, связанных с обеспечением безопасности дорожного движения [Текст] / А.Н. Новиков, А.П. Трясцин, Ю.Н. Баранов, В.И. Самусенко А.М.Никитин// Вестник Брянского государственного технического университета. 2014-№ 4 (44)-С. 188-195.
4. Баранов Ю.Н., Повышение тормозных качеств автотранспортных средств [Текст] / Ю.Н. Баранов, Н.Е. Сакович, В.И. Самусенко А.М.Никитин//Вестник Брянского государственного технического университета. 2014.-№ 2 (42)-С. 5-8.
5. Новиков А. Н., Совершенствование дорожной сети для повышения их пропускной способности с использованием средств транспортной телематики [Текст] / А.Н. Новиков, В. А. Голенков, Ю.Н. Баранов, А.А. Катунин, А.С. Бодров// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014-№ 6-С. 128-139.
SAFETYINCREASEATUNREGULATEDCROSSWALKS Aleshina I.V., student E-mail: [email protected]
Ivanov A.A., student E-mail: [email protected] KrasaulinaN.I., student E-mail:[email protected] Smelkova K. V., student Prioksko state University, Orel, Russia iversity, Orel, Russia E-mail: [email protected]
Abstract. Problems of visual identification of pedestrians at unregulated crosswalks are considered. Solutions of confirmation of intentions of the pedestrian - individual means of giving of light signals are proposed.
Keywords: pedestrian, movement, unregulated crosswalk.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СВС РЕАКЦИИ В ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет
В данной статье предложены некоторые безразмерные критерии, характеризующие процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в микро и нанопорошках.
Из работ А.Г. Мержанова, А.С. Рогачева и других авторов известно, что процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (или СВС процесс) может быть охарактеризован с помощью безразмерных критериев, таких как число Зельдовича, число Льюиса-Семёнова и число Ар-рениуса. В дополнение к указанным критериям автором предлагается ряд
безразмерным комплексов, которые также с успехом могут быть использованы при теоретическом описании распространения твердого пламени в порошковых смесях.
Пусть при СВС реакции образуется достаточно малое количество целевого продукта в виде сферических наночастиц, которые в последующем вырастают до микропорошинок за счет высоких температур, развивающихся при реакции.
Запишем первый закон Фика для атомов, поступающих к растущей частице СВС продукта через её поверхность
J = - Б ^гаё С,
где J - поток вещества, Б - коэффициент диффузии, С - концентрация компонента. Поток вещества к растущей частице представим в виде
J = Дт /(Б - ДО,
где т - масса частицы, £ - площадь поверхности частицы, t - время.
Массу частицы т можно представить как
т = р¥.
где V - объем частицы, р - плотность СВС продукта. Полагая, что при малых размерах частица имеет сферическую форму, можно записать
V= 4пЯ3/3.
где Я - радиус частицы. Площадь поверхности частицы представим в виде
£ = 4 пЯ2
С учетом вышеизложенного, перепишем закон Фика в следующем
виде
Д(4прЯ3./3) = - Б 4 пЯ2 • Дt ^гаё С, 4 п Я2 р ДЯ = - 4 пЯ2 Б • Дt ^гаё С, р ДЯ = - Б А ^гаё С, ДЯ = - [Б •М ^гаё С] / р.
Таким образом, из наших рассуждений следует, что рост радиуса частицы Я определяется следующими параметрами СВС реакции:
1) градиентом концентрации атомов grad С,
2) коэффициентом диффузии атомов Б;
3) временем t, в течение которого поток атомов к частице является достаточно большим.
Если мы тем или иным способом будем уменьшать указанные величины, то, следовательно, будет замедляться и рост частиц - продуктов СВС реакции, что должно увеличивать дисперсность целевого продукта химической реакции.
Следовательно, для получения нано размерного продукта СВС реакции необходимо:
1)уменьшить коэффициент диффузии атомов;
2)уменьшить время протекания СВС процессов в порошковой смеси;
3)уменьшить градиент концентрации атомов в системе.
Коэффициент диффузии, как известно, зависит от температуры следующим образом
Б = Бо ехр [- 0/(Я7)]
где Я =8.31 Дж/(К моль) - универсальная газовая постоянная, Q - энергия активации процесса диффузии, Б0 - предъэкспоненциальный множитель.
Поэтому, понижая температуру, мы уменьшаем коэффициент диффузии и тем самым уменьшаем размер частиц порошка.
Уменьшить температуру СВС процесса можно путём введения плавящейся или испаряющейся инертной добавки в состав исходной порошковой смеси. Понижение температуры реакционной ячейки порошковой смеси за счет фазового перехода в инертной добавке при её полном расплавлении или испарении можно оценить с помощью следующих равенств
стячей ЛТ LmUHерm, стячейЛТ гтинерт->
ЛТ = (г/оУ(тинерт/ тячей),
ЛТ = (Ь/с)(тинерт/ тячей\
где тячей - масса реакционной ячейки, тинерт - масса плавящейся или испаряющейся инертной добавки в ячейке, с - теплоемкость материала, Ь - удельная теплота плавления инертной добавки, г - удельная теплота парообразования инертной добавки.
При малых изменениях температуры ЛТ можно представить изменение коэффициента диффузии Б следующим образом
ЛБ = Бо ехр [- Q/(ЯT)] •ШЯТ)] •[ЛТ/Т].
С учетом указанной выше зависимости малого изменения температуры ЛТ от параметров СВС реакции получаем, что изменение коэффициента диффузии может быть записано как
ЛБ ~ШЯТ)] [Ь/(сТ)]•[тинерт/ тячей], ЛБ ~ШЯТ)] [г/(сТ)]•[тинерт/ тячей].
Таким образом, при малом понижении температуры коэффициент диффузии уменьшается по законам
Б ~ {1 - тЯТ)У[Ь/(сТ)У[тинерт/тячей]}, Б ~ {1 - ШЯТ)1[г/(сТ)1[тинерт/тячей]}.
Следовательно, для изменения размера частицы Я можно записать следующие выражения
ДЯ ~ {1 - ШЯТ)У[Ь/(сТ)У[тинерт/тячей]} •Дt , ДЯ ~ {1 - ШЯТ)1[г/(сТ)1[тинерт/тячей]} •Дt.
Как видно из полученных нами выражений, уменьшение коэффициента диффузии зависит от безразмерных отношений параметров СВС процесса [г/(сТ)] или [Ь/(сТ)] и [тинерт/тячей]. Увеличивая эти отношения, мы уменьшаем коэффициент диффузии и тем самым уменьшаем размер частиц, конечного целевого продукта СВС реакции.
Исходя из сказанного, можно ввести следующий безразмерный комплекс К, характеризующий понижение температуры при СВС реакции и снижение скорости роста частицы СВС продукта
К = [Q/(RT)] •[Н/(сТ)] •К^рт^чей], где Н - удельная теплота фазового перехода материала инертной добавки.
Можно предположить, что данный безразмерный критерий характеризует возможность получения нано порошков методом СВС: при слишком малых значениях критерия продукты реакции будут представлять собой достаточно крупные частицы, при достаточно больших значениях критерия СВС реакция не будет происходить.
Рассмотрим другие безразмерные критерии, также характеризующие особенности протекания СВС реакции в порошковой смеси.
Введём следующий безразмерный критерий возможности СВС реакции
K = (Dt)ld2
где D - коэффициент реакционной диффузии, t - время нахождения реакционной ячейки в состоянии с высокой температурой, d - средний размер частиц порошка металла.
Если предположить, что для протекания стабильной СВС реакции нужно, чтобы этот параметр был больше некоторого критического значения
K > Kcrit
то из формулы для критерия видно, что для возникновения стабильной СВС реакции нужно увеличивать критерий К, а для этого необходимо:
-увеличивать коэффициент диффузии D (например, путём расплавления металла),
-уменьшать размер частиц металлического порошка d (например, путём размола металла в шаровой мельнице),
-увеличения времени t (например, за счет уменьшения тепловых потерь). Все эти выводы согласуются с применяющимися на практике способами проведения СВС реакции в порошковых системах.
Например, в классической системе Ti-C для протекания СВС реакции действительно необходимо расплавление компонентов (аналогичная картина наблюдается и в системах Ni-Al и Ti-Al). Измельчение частиц металлического порошка и увеличение радиуса столбика порошковой смеси (и за счет этого уменьшение тепловых потерь через боковые стенки) приводят к возникновению СВС реакции, что также согласуется с нашими рассуждениями.
Перепишем критерий К в следующем виде
K = [Do t exp (-E/(RT))]/d2 где E - энергия активации реакционной диффузии, T - температура, R -газовая постоянная, D0 - предъэкспоненциальный множитель. Если принять, что при протекании стабильной реакции
K = const,
то из записанного выше выражения для К видно, что уменьшая размер частиц порошка (и уменьшая знаменатель дроби), мы для сохранения значения дроби должны уменьшить и числитель. Иначе говоря, уменьшая размер частиц порошка, мы одновременно снижаем и температуру СВС реакции.
Подобный вывод не противоречит экспериментальным данным: например, измельчение частиц порошка в системах №-А1 и ТьС действительно уменьшает температуру начала СВС реакции на сотни градусов Кельвина.
Следует отметить также, что из записанного нами выражения для К вытекает вывод о том, что взяв в качестве реагентов наноразмерные частицы порошка, мы существенно понижаем температуру СВС реакции. Следовательно, мы уменьшаем скорость роста образующихся частиц СВС продукта. Поэтому, согласно нашим рассуждениям, для измельчения частиц образующихся в ходе СВС реакции продуктов необходимо в качестве исходных реагентов также брать наноразмерные порошки.
Подобный вывод согласуется с экспериментальными работами по получению наноразмерных частиц СВС порошков, которые были выполнены А.С. Мукасьяном и другими авторами.
Следующий безразмерный критерий позволяет выделить различные режимы распространения волны горения в СВС реакции.
Данный безразмерный критерий может быть записан в виде
К =(А5)/Г0,
где к - глубина слоя проникновения атомов реагента в частицу порошка за счет диффузии за единицу времени, £ - общая площадь контакта реагирующих частиц в реакционной ячейке, ¥0 - объем, который необходимо прогреть для начала стабильной СВС реакции внешним источником. (Как правило, порошковая смесь прогревается на глубину порядка 100 микрон для старта волны горения лазером, электрической спиралью и другими источниками.)
Для протекания стабильной СВС реакции, так же к ак и в предыдущих случаях необходимо, чтобы этот критерий был больше некоторого критического значения.
Если принять, что для стабильной СВС реакции этот критерий должен быть постоянной величиной, то отсюда следует следующая связь параметров к и £ при СВС реакции
к ~1/£.
Это означает, что если площадь контакта частиц велика, то глубина диффузионного проникновения мала и не оказывает существенного влияния на ход СВС реакции. Такой процесс может иметь место при СВС реакции в порошках с малым размером частиц.
И действительно, при малых размерах частиц (порядка микрометров) в ряде СВС реакций наблюдается кинетический режим реакции, где основное значение имеют процессы контакта частиц (например, процесс растекания расплавившегося металла), а не процесс диффузии атомов.
Если же площадь контакта мала (частицы порошка крупные) , то из нашей формулы следует, что величина h должна быть достаточно большой. Следовательно, в этом случае основное значение имеет процесс диффузионного проникновения атомов при СВС реакции.
И действительно, при СВС реакции в порошковых смесях с размером частиц порядка миллиметров наблюдается так называемый диффузионный режим СВС реакции, в котором основное значение играет диффузия атомов при повышенных температурах.
Рассмотрим ещё одну безразмерную величину, которая оказывает заметное влияние на параметры СВС процесса.
Пусть реакционная ячейка имеет вид диска толщиной, равной среднему размеру частиц порошка d, и радиусом Ь. Тогда количество энергии, идущее на подогрев следующей реакционной ячейки, пропорционально площади основания диск, то есть, величине Ь2, а количество энергии, уходящее в окружающую среду, пропорционально боковой поверхности диска, то есть, произведению d■Ь.
Мощность теплового излучения через боковую стенку диска при температуре Т может быть записана как
Ж~ оСЬ •Т4,
где о - постоянная Стефана-Больцмана. Мощность, передающаяся соседней реакционной ячейке за счет теплопередачи, может быть записана как
N ~ 1 (Т/с) Ь2,
где 1 - коэффициент теплопроводности. Из мощностей Ж и N может быть составлен следующий безразмерный комплекс
К ~ [1Ь] / [ о с^Т5] ~ (Ь/сС) > Ксп1
Из данного критерия следует, что для протекания стабильной СВС реакции необходимо, чтобы столбик смеси реагентов, в котором будет проходить СВС реакция, имел радиус Ь больше некоторого критического, что согласуется с опытными данными о зависимости СВС реакции от радиуса порошкового образца.
Кроме того, согласно введённому критерию измельчение частиц порошка облегчает протекание СВС реакции, что также согласуется с действительностью.
Таким образом, как было показано выше, из различных параметров, характеризующих СВС реакцию, можно составить безразмерные комплексы и критерии в дополнение к существующим. Применение различных безразмерных комплексов для описания и анализа СВС процесса является весьма плодотворным способом теоретического анализа данного вида химической реакции, в частности, при рассмотрении вопросов, касающихся получения наноразмерных частиц разнообразных тугоплавких материалов с применением СВС методик.
Список литературы
1. 1.Мукасьян А.С., Рогачев А.С. Горение для синтеза материалов. - М.6 Физматлит, 2012. - 396 с
2. 2.Мержанов А.Г. и др. Твердопламенное горение. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. -336 с.
3. З.Сычев А.Е. и др. Твердопламенное горение. - Черноголовка: ИСМАН, 2000. -224 с.
4. Энергетическая модель технологий упрочнения сплавов/ Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 196-199.
5. Моделирование размола порошка металла/ Амосов Е.А., Никитин К.В.// В сборнике: Современные инновации в науке и технике Материалы Международной научно-практической конференции. Под редакцией А. А Горохова. Курск, 2011. С. 14-17.
6. Модель упрочнения слава на основе алюминия/ Амосов Е.А., Быкова Н.В., Мош-няков М.Г.// В сборнике: Современные инновации в науке и технике, Материалы Международной научно-практической конференции. Под редакцией А.А Горохова. Курск, 2011. С. 7-11.
7. Предел измельчения частиц порошка/ Амосов Е.А., Мошняков М.Г.// В сборнике: Техника и технологии: пути инновационного развития, материалы Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А. А.. 2011. С. 24-26.
8. Экспериментальная оценка тест-системы для исследования острой токсичности различных загрязнителей окружающей среды в лабораторных условиях/ Амосова А. А., Амосов Е.А., Козулина А.С.// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 5-2. С. 1042-1044.
9. Моделирование размола порошка металла/ Амосов Е.А., Марков Ю.М.// В сборнике: Современные инновации в науке и технике Материалы Международной научно-практической конференции. Под редакцией А.А Горохова. Курск, 2011. С. 11-14.
10. Оценка размера частиц нанопорошка/ Амосов Е.А.// В сборнике: Техника и технологии: пути инновационного развития, материалы Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2011. С. 22-24. Проектирование дисковых фрез с конструктивной радиальной подачей для обработки профильных валов/ Куц В.В., Мальнева Ю.А., Горохов А.А.// Курск, 2015.
11. Моделирование номинальной поверхности тонкостенной детали с малыми углами конусности/ Куц О.Г., Емельянов С.Г., Горохов А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 74-80.
12. Моделирование профиля производящей поверхности набора фрез, предназначенного для обработки тонкостенной детали с малыми углами конусности/ Куц О.Г., Емельянов С.Г., Горохов А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 81-87.
13. Синтез вариантов схем установки сменных многогранных пластин относительно профиля производящей поверхности фасонных фрез/ Куц О.Г., Горохов А.А.// В сборнике: ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССЫ Сборник научных статей 2-й Международной молодежной научно-практической конференции в 3-х томах. Ответственный редактор: Горохов А.А.. Курск, 2015. С. 122-130.
14. Новый способ обработки валов с равноосным контуром дисковой фрезой с радиальной конструктивной подачей/ Мальнева Ю.А., Куц В.В., Горохов А.А.// В сборнике: Молодежь и XXI век - 2015 материалы V Международной молодежной научной конференции: в 3-х томах. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2015. С. 142-145.
