О взаимодействии частиц графита разного размера с расплавом титана в ходе СВС реакции Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 666.79

О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЧАСТИЦ ГРАФИТА РАЗНОГО РАЗМЕРА С РАСПЛАВОМ ТИТАНА В ХОДЕ СВС РЕАКЦИИ Рыбаков Антон Дмитриевич, инженер, аспирант (e-mail: [email protected]) Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Умеров Эмиль Ринатович, аспирант (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В данной статье проведено сравнение СВС реакций синтеза карбида титана с участием частиц графита разных размеров.

Ключевые слова: СВС, карбид титана, растворение углерода,

Введение

В последнее время различными российскими и зарубежными исследователями активно используются разнообразные формы углерода для высокотемпературного синтеза СВС материалов [6]. Однако большинство работ, по нашему мнению, проводится методом проб и ошибок, достаточно мало исследований посвящено освящению теоретических аспектов взаимодействия различных форм углерода с металлами в ходе СВС реакции, что и сделало необходимым написание данной статьи.

В своей работе мы рассмотрели теоретические и практические вопросы взаимодействия расплава титана с частицами графита разных размеров с целью выяснения возможности управления СВС реакцией путём использования частиц мелкого и крупного графита в исходной шихте.

Расчётная часть

На основании работ Хаимзона Б.Б. с коллегами [8,9] нами был проведён оценочный расчёт времени растворения частиц углерода в жидком титане. Форма модельной ячейки, взятая из классических работ по СВС реакции [2,3], представлена на рисунке 1.

Модельная ячейка состоит частицы углерода сферической формы (область чёрного цвета на рисунке 1), окружённой слоем частиц карбида титана, уже сформированных в ходе СВС реакции (область серого цвета на рисунке 1) и расплавленным титаном (область белого цвета на рисунке 1).

Для того чтобы произошла реакция синтеза, очевидно, атом из частицы углерода должен пройти через слой карбида титана. Поэтому примем, что время растворения частицы углерода радиуса R определяется в основном временем диффузионного прохождения атома углерода через слой TiC.

Рисунок 1 - Вид модельной ячейки

Согласно известной формуле Эйнштейна [13], радиус частицы углерода Я и оценочное время растворения частицы ? связаны следующим простым соотношением

Я2 = ГП,

где Г - величина коэффициента диффузии атомов углерода в твёрдом карбиде титана. Поэтому, зная параметры СВС процесса синтеза карбида титана, можно оценить размер частиц углерода, которые не успеют раствориться в титане в ходе СВС реакции.

Величину Г определим, исходя из литературных данных о диффузии углерода в карбиде титана [8-10] и полагая, что основное диффузионное смещение атомов углерода (приводящее к растворению углерода в жидком титане) происходит при температуре выше 2000 Кельвин. (Предварительные оценки смещения атомов углерода при более низкой температуре показывают, что смещения атомов С не превышают примерно 100 нанометров, что заметно меньше размеров частиц карбида титана, и этими смещениями можно пренебречь). Изменение температуры в первые секунды синтеза карбида титана представлено в работах [2,5] и также было использовано нами для расчёта величины Г . При расчёте мы полагали, что в течение каждого отрезка времени 0.2 секунды с начала СВС реакции температура существенно не изменяется. Складывая смещения атомов углерода за все отрезки времени, мы получили значение общего смещения атомов С, равное (по нашему предположению) радиусу частицы углерода, которая успевает раствориться в ходе СВС реакции.

Расчёты показали, размер максимальной растворившейся частицы может быть записан как

2Я =15 мкм.

Таким образом, предлагаемая нами модель позволяет условно разделить частицы углерода, участвующие в реакции СВС синтеза ТЮ на мелкие (менее 15 микрометров в диаметре), которые успевают раствориться в ходе СВС реакции, и крупные (более 15 микрометров), которые не успевают сделать этого. Поэтому можно ожидать, что применяя частицы графита разного размера, мы, возможно, получим несколько разные продукты реакции синтеза с отличающимися свойствами.

Методика и материалы экспериментов

Для проверки произведенных расчётов, нами были выполнены СВС реакции с применением порошка титана марки ТПП-7 и с частицами графита разных размеров, а именно марок С-2 и ГЛС. РЭМ изображения частиц графитов представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Частицы мелкого (слева) и крупного графита

В ходе подготовки шихты частицы графита и титана смешивались и измельчались, в результате в одном случае размер частиц графита был меньше 15 микрометров, а в другом - больше. Подготовленные смеси участвовали в СВС реакции. Запальная смесь представляла собой СВС-шихту из порошков титана (ТПП-7) и сажи (П701).Продукты реакции исследовались на растровом электронном микроскопе Ш01.

Результаты экспериментов

На рисунке 3 представлена микроструктура продукта горения (т = 10 г) на графите С-2, полученного в среде азота с давлением 10 атм.:

Рисунок 3 - Микроструктура продукта СВС системы ТьС (графит С2)

Можно четко выделить две отличающиеся фазы: металлическую (титан), а также ячеистую (карбид титана). В титане наблюдаются пустоты в виде пор с размерами от 1 до 40 мкм. Так как в СВС-шихте изначально было

равное количество атомов титана и углерода, то наличие значительного количества титановой фазы предполагает также присутствие недореагиро-вавшего графита. Микроструктура аналогичного продукта СВС, полученной на более крупной графите ГЛС представлена на рисунке 4:

Рисунок 4 - Микроструктура продукта СВС системы ТьС (графит ГЛС)

Из рисунков 3 и 4 видно, что микроструктуры имеет схожую картину: разделение на две визуально отличающиеся фазы. Однако, в случае более крупного графита (рисунок 4) прожилки образовавшегося карбида титана находятся в среде закристаллизовавшегося титана, не успев сформироваться в отдельные ячейки. Это может говорить о том, что более крупные частицы графита ГЛС не успели раствориться в Т в процессе СВС, тем самым, не обеспечив достаточную концентрацию атомов С в Т для образования стехиометрического Т1С. Также экспериментально было обнаружено, что инициировать СВС на более крупной графите сложнее - требовалась большая плотность теплового потока, т.е., необходимо было использовать больше (примерно в 2 раза) запальной смеси.

Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют, что взаимодействие титана и углерода зависит от размера частиц графита, что может быть использовано для управления СВС реакцией.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 19-38-90032\19

Список литературы

1.Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана: получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987. 216 с.

2.Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. 336 с.

3.Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: Физматлит, 2013. 400 с.

4.Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.:Машиностроение-1, 2007. 567 с.

5.Левашов Е.А. и др. Перспективные материалы и технологии СВС. М.: МИСИС, 2011. 380 с.

б.Боровинская, И.П. Применение углерода в СВС-процессах / И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов, В.К. Прокудина / Техника машиностроения, 2003. №1 (41). С.59-65.

7.Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения: Учебное пособие / С.Н. Колокольцев Долгопрудный: Изд. Дом «Интеллект», 2012. 296 с.

8.Хаимзон Б.Б. и др. Диффузионная модель растворения частиц углерода в титане при воздействии концентрированных потоков энергии // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. № 2. С. 19-21.

9.Математическая модель растворения частиц углерода в титане при воздействии концентрированных потоков энергии / В. Д. Сарычев и др.// Титан. 2012. № 1. С . 4-8.

10.Растворение углерода в жидком титане с учетом теплообмена в условиях быстрого охлаждения / Б. Б. Хаимзон, В. Д. Сарычев, Н. А. Соскова, В. Е. Громов // Влияние внешних энергетических воздействий на структуру, фазовый состав и свойства материалов.- Новокузнецк: Изд-во "СибГИУ". 2012. С. 280-286.

11.Амосов Е.А. Наглядное моделирование при исследовании. Самара: СамГТУ, 2014. 50 с.

12.Попов П.В. Диффузия. М.: МФТИ, 2016. 94 с.

13.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Физматлит, 2006.

14.A. Rogachev, A.Mukasyan. Combustion for material synthesis. CR£ press. 2015. 393

P.

Rybakov Anton Dmitrievich, engineer, postgraduate (e-mail: [email protected] )

Amosov Evgeniy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor

(e-mail: [email protected])

Umerov Emil Rinatovich, postgraduate

(e-mail: [email protected]

Samara state technical university, Samara, Russia

THE INTERACTION OF GRAPHITE PARTICLES OF DIFFERENT

SIZES WITH TITANIUM MELT DURING THE SHS REACTION

Abstract. In this article we compare the SHS of reactions of synthesis of titanium

carbide with the participation of the graphite particles of different sizes.

Keywords: SHS, titanium carbide, dissolution of carbon