CC BY
13
УДК 621.762
НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СВС РЕАКЦИЙ
Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
(e-mail: amosov-ea@rambler.ru)
В данной статье рассмотрены проявления некоторых общих принципов при протекании реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в порошковых системах.
Ключевые слова: СВС, принцип Гюйгенса, стимул-реакция, накопление-сброс, хищник-жертва
Реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) является одной из современных технологий получения разнообразных тугоплавких соединений, в частности, карбидов, нитридов, боридов, МАХ фаз [1].
Как известно [2], порошковую шихту, в которой будет проходить СВС реакция, можно условно разбить на ряд элементарных реакционных ячеек. Тогда СВС реакцию можно представить себе в виде последовательного нагрева указанных ячеек до температуры реакции и протекания реакции в ячейке. Часть тепловой энергии передается последующей ячейке на её нагревание, и весь процесс повторяется до окончания числа не прореагировавших реакционных ячеек.
СВС реакцию также можно представить как распространяющийся по шихте (исходной смеси порошков) фронт реакции, то есть область, где реакция наиболее интенсивно происходит в данный момент времени [2].
Таким образом, реакционная ячейка, до которой дошёл поток тепла от реакции в предыдущей ячейке, то есть, от предыдущего источника тепла, сама становится очередным источником тепловой энергии. Или, иначе говоря, область порошковой смеси, до которой дошел фронт реакции, является новым источником тепловой волны, которая будет распространяться далее по порошковой смеси.
Таким образом, распространение тепловой волны при СВС реакции по порошковой смеси подчиняется известному принципу Гюйгенса. Этот принцип гласит, что каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (т.е. новым) источником волн [3].
Схема распространения волны по Гюйгенсу представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема распространения волны по Гюйгенсу
Данный факт, в свою очередь, подчеркивает общий характер указанного принципа, то есть, его применимость к разным видам волн: механическим, электромагнитным, тепловым.
Процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза также можно рассмотреть, используя известный в психологии принцип «стимул-реакция» [4]. Стимул - реакция — это действие или состояние, при котором определённый стимул (что-то, что побуждает к действиям или к активной деятельности) автоматически вызывает определённую реакцию [5].
Стимул {Б}
Реакция (В)
Рисунок 2. Представления бихевиористов о принципе работы мозга [5]
Если в данной схеме заменить мозг на реакционную ячейку, то, в принципе, картинка не изменится (рисунок 3).
Стимул (в)
Реакция (И)
Рисунок 3. Представления СВС реакции по принципу «стимул-реакция»
В случае СВС реакции стимулом, очевидно, можно считать приход тепловой энергии в данную ячейку от реакции синтеза в предыдущей ячейке. Этот стимул нагревает порошковую смесь ячейки до температуры начала интенсивной химической реакции, то есть, иначе говоря, вызывает определённый «отклик» ячейки на внешнее воздействие, определённое поведение порошковой смеси (а именно реакцию СВС).
СВС реакция в смеси порошков также может быть рассмотрена, как протекающая по принципу «накопление - сброс». Как известно [6, 7], этот принцип достаточно часто реализуется в различных технических и биологических системах.
На первом этапе СВС реакционная ячейка нагревается, то есть, иначе говоря, поглощает тепловую энергию, поступающую из начавшей реагировать ранее ячейки. Так как состав реакционной ячейки не изменяется (она ведёт себя как инертное вещество [2]), а температура увеличивается, то можно считать, что ячейка накапливает тепловую энергию (этап накопления или этап инертного прогрева [2]).
На втором этапе, при химической реакции, происходит выделение значительного количества тепловой энергии, которая передаётся следующей реакционной ячейке и другим элементам окружающей среды, то есть, иначе говоря, энергия сбрасывается в окружающую среду (этап сброса).
Инертный прогрей
1ёп
Время
Рисунок 4. Схема изменения температуры реакционной ячейки [2]
Реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в порошковой смеси также можно описать, используя известные из биологии понятия «хищника» и «жертвы» [8, 9].
Рассмотрим, например, пищевую цепь питания [9].
Рисунок 5. Пример пищевой цепи
По подобной цепи питания передаётся энергия от одного к другому элементу цепи.
Рисунок 6. Переход от положения «хищник» в положение «жертва»
Очевидно, что каждый элемент этой цепочки, с одной стороны, является жертвой для элемента, расположенного правее, с другой стороны, является хищником для элемента, расположенного левее (рисунок 6)..
В случае СВС реакции каждая реакционная ячейка, с одной стороны, принимает тепло от прореагировавшей ранее ячейки, то есть, по сути, является «хищником», а с другой стороны, отдаёт тепло ещё не прореагировавшей ячейке, то есть, по сути, является «жертвой».
Реакционные
1500
2 и
П о Ьч: 1000
! 500
С
Рисунок 7. Изменение температуры в модельной последовательности реакционных ячеек [2]
Например, если рассмотреть изменение температуры реакционной ячейки в известном модельном эксперименте Мержанова А.Г. [2], то видно (смотри рисунок 7), что существует отрезок времени (показан стрелкой на графике зависимости температуры ячеек от времени), в течение которого реакционная ячейка п -1 отдаёт свою тепловую энергию и остывает. В это же время ячейка п принимает тепловую энергию и при этом нагревается. Здесь ячейка п - 1 играет роль «жертвы», а ячейка п - роль «хищника».
Но через некоторое время ячейка п уже в свою очередь становится «жертвой», отдавая тепловую энергию ячейке п+1, которая играет роль очередного «хищника», как это видно из графика на рисунке 7.
Рисунок 8. Поглощение и отдача энергии ячейкой при СВС
Поэтому СВС реакцию в цепочке реакционных ячеек [10] можно зрительно представить себе, как последовательное поглощение энергии (захват энергии) ячейкой с одной стороны и затем передача энергии (отдача энергии) в другую сторону (рисунок 8).
Передачу энергии от одной ячейки другой можно также считать происходящей по принципу «мать-дочь» [11]: сначала реакционная ячейка, как дочь, принимает тепловую энергию от прореагировавшей ранее ячейки, а затем, как мать, уже отдаёт другой ячейке, как дочери, имеющуюся у неё тепловую энергию для продолжения СВС процесса.
Таким образом, процесс СВС в порошковой смеси как процесс нагревания реакционной ячейки в последовательной цепи подобных ей ячеек и химической реакции синтеза в ячейке может быть описан с применением ряда общих принципов, проявляющихся в различных областях науки и техники, а именно: -принципа Гюйгенса,
-принципа «стимул - реакция», -принципа «накопление - сброс», -принципа «хищник - жертва», -принципа «мать-дочь».
Подобный подход, по мнению автора, может быть полезен тем, что, с одной стороны, позволяет по-новому взглянуть на протекание СВС реакции, а с другой стороны, позволяет применять для описания процесса высокотемпературного синтеза знания из других областей науки, что может быть весьма плодотворно для теоретического понимания указанного процесса (например, для применения известных математических моделей из других областей науки с целью описания протекания СВС реакции). Список использованных источников
1.Мукасьян А.С., Рогачев А.С. Горение для синтеза материалов. М.: Физматлит, 2012. 396 с.
2.Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. 336 с.
3.Яковлев ИВ. Физика. Теория. М.: МЦНМО, 2016. 508 с.
4.Гальперин П.Я., Ждан А.Н. История психологии. М.: Академический проект, 2005. 829 с.
5.Торндайк Э., Уотсон Дж. Б. Бихевиоризм. Принципы обучения, основанные на психологии. Психология как наука о поведении. М.: АСТ-ЛТД 1998. 704 с.
6. Амосов Е.А. Об одном принципе в технических системах // Инновации, качество и сервис в технике, технологиях: сб. научн. тр. 2014. Курск. С.41-45.
7.Гласс Л., Мэки М. От часов к хаосу: ритмы жизни. М.: Мир, 1991. 248 с.
8.Свирежев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость биологических сообществ. М.: Наука, 1978. 352 с.
9. Чернова А.М., Былова А.М. Общая экология. М.: Дрофа, 2007. 416 с.
10. Хисамутдинова А. В., Амосов Е.А. Наглядные модели СВС реакции // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки. 2013. С.57-61.
11.Лувсан Г. Очерки методов восточной рефлексотерапии. Новосибирск% Наука, 1991. 432 с.
Amosov Evgeniy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor Samara state technical university, Samara, Russia SOME REGULARITIES OF SHS REACTIONS
Abstract. This article describes some manifestations of general principles in the reactions self-propagating high-temperature synthesis in powder systems.
Keywords: SHS, the principle of Huygens, stimulus-response, accumulation -discharge, predator-victim
