CC BY
15
УДК 661.666.4
Канд. техн. наук В. А. Скачков, В. И. Иванов, канд. техн. наук Т. Н. Нестеренко,
канд. техн. наук О. Р. Бережная
Запорожская государственная инженерная академия, г. Запорожье
О ФОРМИРОВАНИИ СИСТЕМЫ ТРАНСПОРТНЫХ ПОР В СТРУКТУРЕ КАРБОНИЗОВАННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ
Изучены закономерности формирования системы транспортных пор в структуре карбонизованных углепластиков при газификации в среде диоксида углерода. Рассмотрена задача переноса диоксида углерода по длине пор углепластика, обеспечивающего заданное профилирование его структуры в процессе газификации.
Ключевые слова: карбонизованный углепластик, газификация, диоксид углерода, профилирование структуры, система транспортных пор.
Введение
Постановка задачи
Технология получения высокоплотных композиционных материалов на основе углерода предусматривает заполнение пористой структуры карбонизованных углепластиков пиролитическим углеродом, осаждаемым из газовой фазы при разложении природного газа. На стадии изготовления углепластика выполняют полное обволакивание углеродных волокон жидким связующим материалом. После отверждения связующего материала и завершения процесса карбонизации на поверхности углеродного волокна формируется слой стеклоуглерода, а пиролитический углерод частично заполняет пористое пространство карбонизованного связующего. При последующем газофазном осаждении пиролитического углерода на поверхности и в объеме пористой структуры карбонизованных углепластиков происходит образование технического углерода (сажи), который стремится заполнить объем крупных транспортных пор материала.
В процессе осаждения пиролитического углерода в пористую структуру карбонизованных углепластиков транспортные поры и их геометрическая форма обеспечивают качественное уплотнение как в условиях метода радиально перемещающейся зоны пиролиза, так и изотермического метода [1, 2].
Высокая эффективность методов пиролитического уплотнения предполагает наличие профилированной пористости в карбонизованных углепластиках, которую обеспечивают расчетные параметры процесса газификации.
Основными технологическими параметрами данного процесса служат начальная пористость карбонизо-ванных углепластиков, которую формируют на этапах их изготовления и последующей карбонизации, общая продолжительность процесса, а также температура и концентрация газового реагента (диоксида углерода).
Изучение процесса формирования системы транспортных пор в структуре карбонизованных углепластиков при их газификации.
Теория и анализ полученных результатов
Вышеуказанный процесс реализуется в среде диоксида углерода при омывании данным газом поверхности карбонизованных углепластиков, размещенных в термохимических реакторах проточного типа.
Перенос диоксида углерода диффузией по длине поры карбонизованного углепластика описывается уравнением:
а 2с л2
2к Бг
I (С),
(1)
где С - концентрация диоксида углерода; £ - координата по длине поры углепластика; к - константа скорости газификации углерода; Б - коэффициент диффузии диоксида углерода; г - радиус поры; I (С) - концентрационная функция.
Уравнение (1) дополняется граничными условиями
С,=о = С
ас а I
= о
(2)
(3)
где С0П - концентрация диоксида углерода на поверхности карбонизованного углепластика; к - половина толщины стенки углепластика.
Решение уравнения (1) с условиями (2) и (3) задает распределение концентрации диоксида углерода по длине поры углепластика:
© В. А. Скачков, В. И. Иванов, Т. Н. Нестеренко, О. Р. Бережная, 2016
90
1=к
КОНСТРУКЦ1ЙН1 I ФУНКЦЮНАЛЬН! МАТЕР1АЛИ
С0 • (ехр (-г • I) + ехр [г • ( — 2к) = 1 + ехр (—2г • к) ' (4)
где г - корень характеристического уравнения
г = (2к/г • В).
Уравнение (4) применимо для пор, которые принадлежат каждому из четырех локальных групп порограм-мы углеродных композитов [3]. Первая группа пор характеризуется размером эффективных радиусов от 0,001 до 0,03 мкм; вторая группа пор - 0,03.. .2,50 мкм; третья группа пор - 2,50.10,0 мкм и четвертая группа пор - 10.200 мкм. Доля пор первой группы составляет 38 %, второй группы - 32 %, третьей - 19 % и четвертой группы - 11 %.
Для каждой группы пор плотность их распределения по размерам можно аппроксимировать параболической зависимостью:
I (г ) =
(5)
На функцию (5) накладывается условие нормирования, которое задает долю пор в пределах локальных групп, и параметр распределения имеет вид:
а =
3дг
3 3
г — г
2, 'И
(6)
где qi - доля пор в пределах /-й локальной группы; г1и,
г2и - минимальный и максимальный размер радиусов пор соответственно в пределах /-й локальной группы.
Тогда величину среднего радиуса пор г/ в пределах /-й группы можно рассчитать как
__ 0,75 ql •(( — Г14)
Г =
3 3
Г3 — Г3
(7)
'2/ '1/
Дифференциальное уравнение переноса реакционного газа по длине проточного реактора, с учетом его разложения на нагретых поверхностях пористой структуры карбонизованного углепластика, имеет вид [4]:
й (С • и)
йх
= —2к-р-е-с,
(8)
где и - скорость течения реакционного газа по длине реактора; Р - коэффициент массопроводности;
е = -
1
Я •
о / л \ ^ ^ ; Я - радиус
Р + к •(— qn ) + qn-я^0,.
/=1
ехр (— 2к • к) — ехр (2к,, • к)
реактора;
О, = ^ • В, • к, • р,
2 + ехр(2к, • к) + ехр(— 2к,, • к) г, р, - средний эффективный радиус и относительная
часть -й характерной группы пористой структуры кар-бонизованного углепластика соответственно; N - коли -чество характерных групп пор.
Реакцию газификации записывают в виде:
С + С02 » 2 СО.
(9)
Для реакции (9) распределение реакционного газа по длине реактора с учетом степени его разложения можно записать как
Сс02 = СС02 • (1 а) ;
Ссо = ССО2 -(1 + 2а) ; и = и х-(1 + а),
(10) (И) (12)
Сех
__ С02 - концентрация диоксида углерода на входе в
реактор; иех, и - скорость подачи газов на входе и по длине реактора соответственно.
Уравнение (8) с учетом соотношений (10)-(12) будет иметь вид:
3а йа к •В^е ---+ —-— = 0.
1 — а йх и ех
(13)
.Из решения уравнения (13) степень разложения диоксида углерода определится как
а(х) = (2 е • х)0
(14)
Использование решений (4) и (14) предполагает известными величины констант скорости газификации для стеклоуглерода, пиролитического и технического углерода, которые служат составными компонентами матричного материала при его профилировании в среде диоксида углерода.
Определение кинетических параметров процесса газификации для вышеуказанных форм углерода, выполнено в работе [5]. Исследованиями установлено, что максимальное значение энергии активации (6,0 МДж/кг) имеет стеклсуглерод минимальное значение (0,27 МДж/кг) -технический углерод.
Различие значений указанного параметра для исследуемых материалов связано с их структурой. Так, стеклоуглерод характеризуется глобулярной структурой, состоящей из лентоподобных образований атомов углерода. Технический углерод представляет собой микропорошок, частицы которого имеют эффективный размер от нескольких атомов углерода до нескольких сотен микрометров. Пиролитический углерод, полученный осаждением на нагретой поверхности в среде природного газа, обладает упорядоченной кристаллической структурой, которая складывается из атомных плоскостей, располагаемых параллельно поверхности подложки осаждения, при этом атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.
2
ISSN1607-6885 Ноеi матерiали i технологи е металургп та машинобудуеант № 1, 2016
91
Практическое отсутствие пористости пиролитичес-кого углерода и частиц технического углерода, высокая степень упорядоченности их структуры обеспечивают значения линейной скорости газификации на два порядка ниже, чем для стеклоуглерода.
В табл. 1 и 2 представлены распределение концентрации диоксида углерода (С/С^, а также отношение начального радиуса поры к его текущему значению (г0/г1) по толщине стенки (по длине пор) карбонизо-ванного углепластика соответственно для средних значений радиусов четырех локальных групп пор: I - 16,50 мкм; II - 2,85 мкм; III - 0,72 мкм; IV - 0,085 мкм.
Таблица 1 - Распределение диоксида углерода С/С(
Как показывает анализ табл. 1 и 2, для транспортных пор всех локальных групп порограммы величина радиуса возрастает от середины толщины карбонизованно-го углепластика к его поверхности.
Заключение
1. Разработана математическая модель формирования системы транспортных пор конусообразной формы в пористой структуре карбонизованных углепластиков.
2. Предложены конечные соотношения для оценки пористости карбонизованных углепластиков при их газификации в среде диоксида углерода.
по длине пор различного радиуса
Отношение 1 /h Значение параметра С/С0 в зависимости от среднего радиуса группы пор
I II III IV
0 1,00 1,00 1,00 1,00
0,2 0,83 0,73 0,62 0,53
0,4 0,72 0,59 0,42 0,24
0,6 0,60 0,46 0,29 0,12
0,8 0,51 0,35 0.20 0,09
1,0 0,43 0,29 0,16 0,06
Таблица 2 - Изменение радиуса поры r/r0 по ее длине
Отношение 1 /h Значение параметра r/r0 в зависимости от среднего радиуса группы пор
I II III IV
0 0,42 0,27 0,17 0,07
0,2 0,43 0,31 0,19 0,08
0,4 0,45 0,33 0,21 0,09
0,6 0,51 0,39 0,23 0,11
0,8 0,62 0,52 0,38 0,21
1,0 0,90 0,81 0,69 0,69
Список литературы димир Владимирович Байгушев. - Днепропетровск :
УГХТУ, 2006. - 140 с. сследование газофазного уплотнения пи- . „ „ . , ,
4. Скачков В. А. Моделирование процесса разложения роуглеродом пористых сред методом радиально дви- ,
углеводородов в термических реакторах проточного типа /
жущейся зоны пиролиза / В. А. Гурин, И. В. Гурин С. Г. Фурсов // Вопросы атомной науки и техники. - Харь
В. А. Скачков, В. И. Иванов, Н. А. Карпенко и др. //
тттттт . „ Известия Вузов. Черная металлургия. - 1991. - № 12. -
ков : ННЦ «ХФТИ», 1999. - Вып. 4 (76). - С. 32-45. С 33-35
2. Скачков В. О. Модель процесу формування щшьност - ' „ . „ ,
5. Скачков В. А. Профилирование пористои структуры и
вуглецевих композицшних матерiалiв / В. О. Скачков,
т/тт „ , тт плотности углеродных композитов в среде диоксида уг-
В. 1. 1ванов, Т. М. Нестеренко та ш. // Математичне мо- , „ . „ т^тттт ^т^т^ ,,
~„„„ ~ „ „„ лерода / В. А. Скачков, В. И. Иванов, О. Р. Бережная //
делювання. - 2000. - № 2 (5). - С. 75-77. л/ - ■ ■ -, ■ ■■ ■
„ ^ ^ „ Металурпя : науковi працi Запорiзькоl державно1 шже-
3. Баигушев В. В. Технология производства композици- .. ... ,, . т^т^ .,„,.
нерно1 академil. - Запорiжжя : РВВ ЗД1А, 2012. -онных углерод -углеродных материалов электротерми- Вип 3(38) с 114 120
ческого назначения / Диссертация канд. техн. наук: / Вла- ' ОдерЖано 06 04 2016
Скачков В. О., 1ванов В.1., Нестеренко Т.1., Бережна О.Р. Про формування системи транспортних пор у структур карбошзованих вуглепластикiв
Вивчено saKOHûMipHocmi формування системи транспортних пор у cmpyKmypi карбон1зованих вуглепластитв nid час газифiкацiï у сеpедoвищi дioксиду вуглецю. Розглянуто задачу перенесення дioксиду вуглецю за довжиною пор вуглепластика, що забезпечуе задане профшювання його структури nid час газифiкацiï.
Ключовi слова: карботзований вуглепластик, газифiкацiя, дioксид вуглецю, профшювання структури, система транспортних пор.
Skachkov V., Ivanov V., Nesterenko Т., Berezhnaya О. About formation of system of transport pores system in structure of carbonized carbon-fibre-reinforced plastics
Formation mechanisms of transport pores system in the structure of carbonized carbon-fibre-reinfotrced plastics at its gasification in the medium of dioxide carbon are studied. The task of dioxide carbon transfer along length of pores for carbon-fibre-reinfotrced plastic, which provides given profiling of its structure at the gasification process is considered.
Keys words: carbonized carbon-fibre-reinfotrced plastic, gasification, dioxide carbon, profiling of structure, system of transport pores.
