CC BY
22
Література
1. Цыплаков, О.Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. Ч.1 / Цыплаков О.Г. — Пермь, 1974. — 317с.
2. Колосов, О.Є. Математичне моделювання базових процесів виготовлення полімерних композиційних матеріалів із застосуванням ультразвукової модифікації/ Колосов О.Є., Сівецький В.І., Панов Є.М., Мікульонок І.О. та ін. - К.: ВД «Едельвейс», 2012. - 268 с.
3. Плоткин Л. Г. Технология и оборудование пропитки бумаги полимерами / Л. Г. Плоткин, Г. В. Шалун — М.: Лесная промышленность, 1985. — 119 с.
4. Коновалов В. И. Пропиточно-сушильное и клеепромазочное оборудование / Коновалов В. И. — М.: Химия, 1989. — 224 с.
5. L. Ye. Composite technologies for 2020/ L. Ye, Y-W. Mai , Z. Su // Proceedings of the fourth Asian-Australasian conference on composite materials ACCM 4. - June, 2004. - University of Sydney, Australia. — 1120 р.
6. Jana, D. Sample Preparation Techniques in Petrographic Examinations of Construction Materials / D. Jana // A State-of-the-art Review: Proceedings of the 28th Conference on Cement microscopy, Courtesy of the International Cement Microscopy Association (ICMA). — Denver, Colorado, 2006. — P.P. 23—70.
7. Pat. # 7235149 US, IPC B32B5/12; D04H/00. Process and equipment for manufacture of advanced composite structures / Taggart David (US). — № US2005236093; fill. 26.04.2005; publ. 27.10.2005.
8. Pat. # 2008001705 WO, IPC C08J5/24; C08L53/02; C08L63/02; C08J5/24; C08L53/00; C08L63/00. Epoxy resin composition, prepreg, and fiber-reinforced composite material / Sakata Hiroaki [JP]; Tomioka Nobuyuki [JP]; Honda Shiro [JP]). — №PCT/ JP2007/062665; fill. 25.06.2007; publ. 03.01.2008.
9. Pat. # 2008090614 WO, IPC H05K1/03; B32B15/08; C08J5/24. Prepreg, printed wiring board, multilayer circuit board and process for manufacturing printed wiring board / Fukuhara Yasuo [JP]; Watanabe Tomoaki [JP]. — №W02007JP51166 20070125; fill.25.01.2007; publ. - 31.07.2008.
10. Pat. # 2008087890, IPC C08G59/62; B32B15/08; B32B15/092; H05K3/46; C08G59/00; B32B15/08; H05K3/46. Thermosetting resin
composition / Taiyo Ink Mfg Co Ltd [JP]; Murata Katsuto, Nakai Koshin, Hayashi Makoto [JP].- № W02008JP50218 20080110; fill.
15.01.2007; publ. 24.07.2008.
------------------------□ □------------------------------
Одержання високощільних вуглець-вуглеце-вих композитів передбачає заповнення пористої структури карбонізованих матеріалів піровуглецем, що осаджують із газової фази під час піролізу вуглеводнів. Практична реалізація процесів ущільнення зазначених композитів можлива як ізотермічним, так і неізотермічним методами, за умов статичного та пульсуючого тиску, а також як з вимушеною конвекцією, так і за її відсутності
Ключові слова: вуглець-вуглецевий композит, термохімічний реактор, газофазове ущільнення, піровуглець, процеси ущільнення
□-----------------------------------------------□
Получение высокоплотных углерод-угле-родных композитов предусматривает заполнение пористой структуры карбонизован-ных материалов пироуглеродом, осаждаемым из газовой фазы при пиролизе углеводородов.
Практическая реализация процессов уплотнения указанных композитов возможна как изотермическим, так и неизотермическим методами, в условиях статического и пульсирующего давления, а также как с вынужденной конвекцией, так и при ее отсутствии
Ключевые слова: углерод-углеродный композит, термохимический реактор, газофазное уплотнение, пироуглерод, процессы уплотнения
------------------------□ □------------------------------
© В. о. Скачксів, В. І. Івані:»;, С. н. Вгіденніксів, Ю. В. Mu ,
УДК 621.365.22:536.24
ПРО моделювання
ГАЗОФАЗОВОГО
ущільнення
вуглець-вуглецевих
КОМПОЗИТІВ
В. О. Скач ков
Кандидат технічних наук, доцент* E-mail: colourmet@zgia.zp.ua В. І. Іванов Старший науковий співробітник** E-mail: colourmet@zgia.zp.ua С. А. Воде н н і ко в Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри** Е-mail: mf@zgia.zp.ua Ю. В. Мосейко Кандидат педагогічних наук, доцент** E-mail: colourmet@zgia.zp.ua *Кафедра металургії кольорових металів **Кафедра металургії чорних металів Запорізька державна інженерна академія пр. Леніна, 226, м. Запоріжжя, Україна, 69006
1. вступ
Технологія одержання значно щільних вуглець-ву-глецевих композитів припускає заповнення поруватої структури карбонізованих матеріалів піровуглецем, якого осаджують із газової фази, під час розкладання вуглеводнів.
Процес ущільнення реалізують у термохімічному реакторі проточного типу. Як результат проходження гомогенних процесів утворюється комплекс граничних і неграничних вуглеводнів та декілька радикалів [1-4]. Вихідний вуглеводень і продукти гомогенних процесів дифундують до поруватої структури карбонізованих матеріалів і, розкладаючись на нагрітих стінках пор, утворюють твердий осад - піровуглець [5].
У роботі [6-8] розглядають процес утворення піро-вуглецю з урахуванням сукупності гомогенних процесів. Проте оцінку впливу поруватості нагрітих поверхонь у даних роботах не неведено.
2. Постановка завдання
дС=4цдСї .є,)-
дт ЗІ І ЗІ і ЗІ г
(1)
Стаціонарний газотермічний процес ущільнення без змушеної конвекції реалізується у реакторі із зовнішнім нагріванням і постійною температурою за товщиною стінки виробу із карбонізованого вуглець-вуглецевого композита.
Для таких умов рівняння (1) можна записати
д2С 2к ■ С
D^ 2 -
1 ЗІ2 г
Межові умови даного процесу
С
С
, = С
= 0 .
(2)
(3)
(4)
Практична реалізація процесів ущільнення поруватих вуглець-вуглецевих композитів можлива як ізотермічним, так і неізотермічним методами за умов статичного та пульсуючого тиску, як із вимушеною конвекцією, так і за її відсутності. У зв’язку з цим ставиться задача зіставлення можливих методів ущільнення із застосуванням математичного моделювання осадження піровуглецю у просторі пор.
3. основна частина досліджень
Порувату структуру вуглець-вуглецевого композита подають прямолінійною циліндричною порою з ефективним радіусом г , розташованою перпендикулярно до його поверхні.
Порядок реакції осадження піровуглецю за вихідним вуглеводнем суттєво відрізняється від першого порядку [5, 9], проте за кожним індивідуальним продуктом гомогенних процесів порядок утворення піровуглецю з високим ступенем ймовірності є першим.
Припускаючи сталість концентрації та швидкості течії реагуючих вуглеводнів у поперечному перерізі пори, відсутність гомогенних процесів у її обсязі, для першого порядку утворення піровуглецю загальне рівняння руху і -го вуглеводню за довжиною пори для модельного середовища можна подати як
Умова (3) припускає відповідність концентрації і -го вуглеводню в устя пори його концентрації у потоці вуглеводнів з обсягу реактора на стінку поруватого вуглець-вуглецевого композита [10]. Умова (4) вказує на відсутність концентрації активного газу наприкінці досить довгої пори.
Розв’язання рівняння (2) з межовими умовами (3)-(4) має вигляд:
Сі = С0 ■ ехр
2кі
7о~
\ 0,5
(5)
Співвідношення (5) описує розподіл реагуючого вуглеводню за довжиною пори з урахуванням його розкладання на її нагрітій поверхні.
Для стаціонарного ізотермічного процесу ущільнення зі змушеною конвекцією характерною умовою є змушений потік реагуючих вуглеводнів з постійною швидкістю ^ . Тоді рівняння (1) можна записати
D
d2Ci
ЗІ2
ас,
аІ
2к,
г
С = 0
(6)
Розв’язання рівняння (6) з межовими умовами (3) і (4) подається співвідношенням
С = С0 ■ ехр
'Ш■ 2г + 8к, Ц^ 0,5
2Ц І 4 г ■ і
І . (7)
де С;, Di - концентрація та коефіцієнт дифузії і -го вуглеводню відповідно; т - тривалість процесу; І - координата за довжиною пори; W - швидкість конвективного подавання реакційного газу до пори; к - константа швидкості утворення піровуглецю з і -го вуглеводню.
Рівняння (1) припускає перенесення і -го вуглеводню довжиною пори за рахунок дифузії та змушеної конвекції з урахуванням його розкладання на поверхні пори й осадження піровуглецю.
Під час реалізації стаціонарного неізотермічного процесу ущільнення температура збільшується від устя пори за її довжиною та для реакційного газу доступною є поверхня з меншою температурою. В цьому разі проникнення реакційного газу до пори здійснюється як із зростаючою швидкістю дифузії, так і зростаючою швидкістю його розкладання на поверхні пори.
Закон змінювання температури за довжиною пори можна подати у вигляді
Т = ТН ехр(а І) ,
(8)
де а = (І ^)1п(ТН/Т ); L - довжина пори; ТН , Т - температура в устя пори та на її довжині L відповідно.
Коефіцієнт дифузії і -го вуглеводню є величиною, що залежить від температури, тоді можна записати
€
/ T
T
V ІН у
(9)
де Т - температура в точці пори з координатою І; Df -коефіцієнт дифузії за температури ТН .
Підставляючи співвідношення (8) до рівняння (9), одержують
Di = D,H exp (1,5a-l) .
(10)
Враховуючи умови стаціонарності, а також залежності (2), (8) і (10), з рівняння (1) одержують:
^ +9“р-- 2k°H - exp [Ki - exp (a-l)-0-l ]-C = 0 . (11)
dl
де 0 = 1,5а; К =-Е(/Я■ Тн ; Е( - енергія активації; Я газова постійна.
Межові умови для рівняння (11) можна подати як
Сі|„ „ = C dC
dl
< 0 .
(12)
(13)
d2C-dl2 + 2k„
W-
0- E)HH" - exp(-0-1)
dC,
dl
r-DH
-exp[k, -exp(a-l)-0-l] = 0
(14)
Межові умови для рівняння (14) мають вигляд співвідношень (12) і (13).
Розв’язання рівняння (14) має вигляд
де
Сі = С0 [sin artg(expR)]- expx x ^sin2 [arcf (l)] - [l - exp(-2 0 -1)] x , xR - f (l) + R -exp(-2 0-l))
f4 (l) = (1 -0,25 02) -1 + z - exp (a -0) x xl-/ exp [ki -exp(a-l)]-expki\
(15)
R =
W2
2k„
т ; z=- tj .
80-(DH) a-r-D,
Рівняння (15) визначає розподіл концентрації вуглеводнів за довжиною пори для рівняння (11) у разі, коли W = 0 .
Нестаціонарний процес із пульсуючим тиском за умов ізотерми характеризується рівномірним розподілом температури за товщиною вуглець-вугле-цевого композита, якого ущільнюють, але вихідний реакційний газ подають за пульсуючим режимом.
Рівняння (1) для таких умов можна записати як
9C, = D dC - 2k,-C, 9т 1 dl2 r
Межові умови для рівняння (16) мають вигляд С,(т)|(=0 = С0-cos(ra-x) ;
С,(т)| ^ = 0 .
(16)
(17)
(18)
де ю = 2л/Т - кругова частота; С0 - амплітуда пульсацій; Т - період коливань.
Розв’язання рівняння (16) з урахуванням межових умов (17) і (18) можна записати
C = C0 - exp
г-ю2 2k.
D;
\ 0,5
Г - D;
- cos ф-1
Знак «рівність» у рівнянні (13) в ідповідає наявності жорсткого неізотермічного режиму, коли швидкість хімічного процесу розкладання вуглеводню перевищує швидкість його дифузії, знак «нерівність» - наявності м’якого режиму, коли швидкість дифузії вуглеводню перевищує швидкість його розкладання.
Для стаціонарного неізотермічного процесу ущільнення зі змушеною конвекцією рівняння (1) з урахуванням умов (8)-(10) можна записати
x cos
де 9 = 0,5arctg
(r-D)0
/ \ r-ю
--sin ф
(19)
cos ют
v2k,,
Для нестаціонарного процесу ущільнення з пульсуючим тиском за умов неізотерми рівняння (1) з урахуванням співвідношень (2), (8) і (10) має вигляд:
dC, d2C, 3C, 2k, г . .
1 =—^+0—L------— -expl K, -exp(a-l)-0-l l-C, . (20)
dT Hz'2 M r-n FL , ! J ,
Межові умови для рівняння (20) подають як співвідношення (17) і (18).
Розподіл концентрації реагуючого газу за довжиною пори під час нестаціонарного режиму за умов (17) і (18) можна записати як
C = C0 - sin [arctgex Р(f2 )J - exp x
x [ sin2 (arctgf2)] - (g - 0,25 02 -1) -1 - z - exp [2(a-0)] x ,(21) xl-[exp< ki - exp(a-1)>-expki J-l)- соб(ю- т)
де f2(l) = (1 + 0,25 02 + g)-1-zx
xexp(a-0)-1-^exp [ ki - exp (a-l)J-expk^
g = ю-j; j = (-1) .
Нестаціонарний процес ущільнення з пульсуючим тиском за умов ізотерми зі змушеною конвекцією подають рівнянням
dC, = d^_
9т
dlH
W
0-W-exp(-0-1)
dC,
dl
2k
r-D
■H- exp [K, - exp (a - l)-0-lJ-C,
(22)
l = 0
3
із межовими умовами, які відповідають співвідношенням (17) і (18).
Розв’язання задачі (22) у разі, коли W >> D1Н , має вигляд
C, = C0 ■ exp(ki)- exp
W
4k0
r2 ■ P2
■ exp/2(p■ І + k,) + rn2 ■ І2
xcos arctg
“■ ^І / і n Л
-2— ■ exp Hl-U- l)
cos(rn^т),
(2З)
де в = -L- [ exp (a-L-1)] .
4. висновки
Використання процесів ущільнення вуглець-вуглецевого композита з пульсуючим тиском не
супроводжується зниженням тривалості ущільнення та збільшенням обсягу піровуглецю, що осаджується у поруватій структурі.
Примусове подавання реакційного газу до поруватої структури зі швидкістю W за умов ізотермічності процесу збільшує кількість піровуглецю, що осаджується в об’ємі вуглець-вуглецевого композита, проте ефективність процесу обмежується заростанням устя пор.
За умов неізотермічного процесу примусове подавання реакційного газу зі швидкістю W збільшує швидкість осадження піровуглецю за довжиною пори й обумовлює зниження тривалості процесу ущільнення товстостінних виробів.
Для тонкостінних виробів з вуглець-вуглецевого композита з відкритим доступом реакційного газу до обох поверхонь ізотермічний процес практично відповідає неізотермічному процесу.
Література
1. Полторак, В. А. О едином цепном механизме термического распада углеводородов [Текст] / В. А. Полторак, В. В. Воеводский // Доклады АН СССР. - 1958. - Т. 91, № 3. - С. 589-591.
2. Теснер, П. А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы [Текст] / П. А. Теснер. - М. : Химия, 1972. - 136 с. -Библиогр. : с. 135-136.
3. Kirkhard, P. P. Carbon aircfaft brakes a description [Text] / P. P. Kirkhard // 5th conference on Industial Carbon and Graphite. -London : Industrial Cheramical Society, 1975. - Vol. 1. - P. 483.
4. Fitzer, E. Influence of process parameters on the mechanical properties of Carbon/Carbon composites with pitch as matriz precursors [Text] / E. Fitzer, W. Hutner, L. Manocha // 14 th Biennial Conference on Carbon. Extended Abstract and Program. - American Carbon Committee, 1979. - P. 240-242.
5. Скачков, В. А. Моделирование процесса разложения углеводородов в термических реакторах проточного типа [Текст] / В. А. Скачков, В. И. Иванов, В. И. Середич // Известия Вузов. Черная металлургия. - 1991. - № 12. - С. 33-35.
6. Allister, L. E. A study of composition - Construction Variatious in 3D Carbon/Carbon Composites [Text] / L. E. Allister, A. R. Taverna // Proc. ICCM-75. - 1976. - Vol. 1. - P. 307-317.
7. Awastht, S. Carbon/carbon composite materials for aircaraft brakes [Text] / S. Awastht, J. L. Wood // Advanced Ceramic Materials. - 1988. - Vol. 3, N 5. - P. 449-151.
8. Thomas, C. R. Advanced carbon/carbon composites for structural application [Text] / C. R. Tomas, E. J. Walker // Carbon fibres their place in modern technology. - 1997. - N 19. - P. 122-123.
9. Kolesnikov, S. А. Compression of carbon purveyances by pyrolysis of gases in the industrial stoves [Text] / S. А. Kolesnicov, V. I. Kostikov, А. M. Vasil'eva // Chemistry of hard fuel. - 1991. - N 6. - P. 114-122.
10. Скачков, В. О. Модель перенесення маси реагуючих компонентів реакційного газу в термохімічних реакторах проточного типу під час ізотермічного ущільнення вуглецевих композитів [Текст] / В. О. Скачков, В. І. Іванов // Математичне моделювання. - 2003. - № 2 (10). - С. 53-56.
Е
