Самораспространяющийся высокотемпературный синтез во внешнем высокочастотном электромагнитном поле Текст научной статьи по специальности «Физика»

Р.М. Габбасов, А. А. Трунов

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез во внешнем высокочастотном электромагнитном поле

Рассматривается воздействие переменного электрического поля на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). В отсутствие внешнего поля зарегистрировано собственное СВЧ-излучение волны горения.

Исследование воздействия переменного электрического поля

Исследование воздействия постоянных электрического и магнитного полей на горение в конденсированных системах началось в 1980-х годах — это было вызвано технологическими и фундаментальными проблемами СВС [1]. Внимание исследователей привлекает возможность управления процессом горения с помощью внешних полей. Существенным развитием работ по изучению влияния электрического поля на процессы СВС является исследование в [2], где проводилось стимулирование постоянным электрическим полем волны СВС.

В настоящей работе изучалось воздействие высокочастотного электрического поля.

В качестве объекта исследования влияния переменного электрического поля на скорость горения использовалась смесь порошков Ni + Al, (BaO2 + 41мас.%0г203) + 5мас.%С и (Mo + 12мас.% В) + 7мас.%Тк

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Исходную порошковую смесь (6) засыпали в кварцевую трубку (5) диаметром 12 мм. Относительная плотность смеси для Ni + Al — 0,35^0,6; (Ba02 + 41мас.%Сг203) + 5мас.%С — 0,4 и (Mo + 12мас.%В) + 7мас.%Т — 0,25. Высокое напряжение частотой от 5 до 200 кГц, напряжением до 5 кВ прикладывали от высоковольтного источника питания (9), электроды которого вводились непосредственно в исходную смесь. Максимальная мощность генератора составляла 200 Вт, мощность на образце — не более 22 Вт. Металлическая (7) и керамическая (8) пластинки предназначены для ограничения тока в цепи. Реакцию СВС, протекающую в режиме волнового горения, инициировали от нагретой электрическим током вольфрамовой спирали (2) при помощи автотрансформатора (1). Линейная скорость горения определялась путем видеосъемки процесса видеокамерой Panasonic NV-DA1EG. Установка позволяла в процессе синтеза включать и отключать переменное электрическое поле, контролируя при этом параметры горения.

Эффекты изменения линейной скорости горения наблюдали в продольном поле относительно направления движения волны горения.

Система Ni+16Mac.%Al. Зависимость средней величины скорости горения при воздействии внешнего переменного поля показывает, что на частоте 5 кГц при напряжении 3 кВ скорость горения увеличивается на 7 % (Чгор = 6,42 мм/с, рис. 2,а) от линейной скорости (6 мм/с) без поля. С увеличением частоты до 200 кГц (3 кВ) скорость горения увеличивается до 13,2 мм/с, т.е. в 2,2 раза. При этом с увеличением частоты скорость горения растет линейно. Заметно резкое ускорение горения при подходе реакционной волны ко второму электроду, при этом происходит искривление фронта волны горения (рис. 3).

С увеличением амплитуды напряжения, приложенного к образцу, от 1 до 4,5 кВ (рис. 2,6) на фиксированной частоте 125 кГц скорость горения возрастает в 2,2 раза.

Анализ действия электрического поля проводился при включении и выключении внешнего источника во время процесса СВС (рис. 4). Оказывается, что актива-

1

Рис. 1 — Экспериментальная установка: 1 — автотрансформатор; 2 — вольфрамовая спираль; 3 — продукт реакции; 4 — волна горения; 5 — кварцевая трубка; 6 — исходная смесь;

7 — металлическая пластинка;

8 — керамическая пластинка;

9 — источник питания

ционный эффект появляется и исчезает не мгновенно, а с задержкой. Например, при включении поля скорость горения монотонно возрастает от 8 до 15,5 мм/с в течение 5 с. При выключении поля скорость горения монотонно уменьшается от 21 до 9 мм/с за время 3,3 с.

В эксперименте исследовалась зависимость скорости горения в поле и без поля от процентного содержания Al. Максимальная скорость горения имеет место как в поле, так и без него (рис. 5,а). Зависимость отношения скоростей в поле и без поля от процентного содержания Al показывает, что поле имеет наибольшее влияние на скорость горения при содержании в смеси 25 % Al.

^гор, мм/с

12

10

7

6

^выс = 3 кВ

^гор, мм/с -

12

10

7

6

^ = 125 кГц

0 40 50 120 160 кГц 1000 2000 3000 4000 В

а б

Рис. 2 — Зависимость средней скорости горения: а — от частоты приложенного поля; б — от прикладываемого к образцу напряжения

1=0 c

1=1 c

аб Рис. 3 — Кадры горения смеси без поля (а) и в поле 125 кГц 4 кВ (б)

Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что на составе Ni + 14мас.%Al после СВС образуются фазы Al1,1Ni0,9 , а при горении в поле 4 кВ частотой 125 кГц образуется еще одна фаза — AlNi3.

Система (Ва02 + 41мас.%0г203) + 5мас.%С. Система исследовалась при воздействии электрического поля в моменты включения и выключения (4 кВ частотой 125 кГц) внешнего источника во время процесса СВС. При включении поля скорость горения возрастает от 4 до 7,3 мм/с в течение 5 с (рис. 6,а). При выключении поля скорость горения уменьшается от 8 до 4,5 мм/с в течение 3 с (рис. 6,б).

Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что после СВС образуются фазы С, ^^ и BaCO3. При горении в поле количество фазы BaCO3 возрастает.

Система (Мо + 12мас.%В) + 7мас.%Т1. Результаты исследования на данной системе при воздействии электрического поля в моменты включения и выключения (4 кВ частотой 1 25 кГц) внешнего источника во время процесса СВС показали, что активационный эффект появляется и исчезает не мгновенно (рис. 7).

Выводы. Обнаруженный эффект влияния переменного электрического поля на скорость горения свидетельствует о прямом воздействии поля на кинетику гетерогенных процессов, что, по-видимому, связано с изменением реакционной активности металлических частиц при прохождении высокочастотного электрического тока в смеси.

а б

Рис. 4 — Зависимость скорости горения: а — при включении поля в точке В; б — при выключении поля в точке В (1^ + 16мас.%Д1)

аб Рис. 5 — Зависимость скорости горения (а) и отношение скоростей в поле и без поля (б) от процентного содержания Д1

При анализе наблюдаемого эффекта не следует исключать определенную роль омического нагрева порошковой системы во время обработки переменным электрическим током. Оценка скорости горения за счет теплового фактора может достигать 10 % от скорости горения без поля.

а б

Рис. 6 — Зависимость скорости горения при включении поля в точке В (а) и при выключении поля в точке В (б) ((Ва02 + 41 мас^С^Оэ) + 5мас.%С)

Рис. 7 — Зависимость скорости горения при включении поля в точке В (а) и при выключении поля в точке В (б) ((Мо + 12мас.%В) + 7мас.%Л)

СВЧ-излучение волны горения

Известно, что в волне горения гетерогенных систем М-А1, Со-Б, Ре0-ТЮ2-Д1, ^^ и других, образующих конденсированные продукты, происходит ионизация газа, связанная с эмиссией электронов и ионов с поверхности конденсированных фаз [3—7]. В связи с особым характером ионизации данного типа систем, включающим участие прямого химического возбуждения заряженных частиц [5, 6], представляет интерес анализ СВЧ-излучения, характеризующего диссипативные процессы в плазме. Ранее это излучение фиксировалось при горении газов и органического твердого топлива [8], взрыве металлсодержащих смесей [9].

Объектом исследований являлась порошковая система Ре203+25,3мас.%Д1.

Радиочастотное излучение СВЧ-диапазона регистрировали с помощью измерительной системы (рис. 8), включающей приемную рупорную антенну (6), СВЧ-усилитель (7), преобразователь частоты (8), усилитель промежуточной частоты (9), детекторную секцию (10), фильтр нижних частот (11), запоминающий осциллограф (12).

При помощи автотрансформатора (1) нагревали спираль (2), которая инициировала реакцию горения. Исходный образец (3) с относительной плотностью, равной 0,33, располагался на шамотном кирпиче (4), для того чтобы реакция проходила в центре металлической камеры. Металлический куб (5) служил для передачи СВЧ-сигнала в рупорную антенну (6).

Коэффициент усиления тракта составлял 80 дБ. Для калибровки системы на вход антенны (см. рис. 8) подавалось СВЧ-излучение, формируемое генератором стандартных сигналов (3) типа Р2 и антенной 1 (рис. 9). С помощью переменного аттенюатора (2) типа Д5 определялась чувствительность измерительной системы, которая в условиях сближенной мощности излучения волны горения и генератора стандартных сигналов составила величину 510-5 Вт/В. Последняя измерялась в приближении отсутствия поляризации и совпадения телесного угла излучения с диаграммой направленности приемной антенны. Для исследований использовались сменные СВЧ-узлы: 6, 7, 8 (см. рис. 8) и 1 (см. рис. 9), что позволяло регистрировать излучение в поддиапазонах: 3,4^4,2 ГГц, 10,7^12,2 ГГц, 35,5^37,5 ГГц.

Расстояние между антенной и образцом составляло 0,9 м, что более чем в 10 раз выше длины волны (0,8^8,8)-10-2 м и соответствует дальней зоне приема излучения.

Для исследования СВЧ-излучения в вакууме камера (5) менялась на вакуумную, которая откачивалась до нужного давления.

Огибающие СВЧ-излучения от волны горения навески массой 4 г снимались в различных частотных поддиапазонах с экрана осциллографа (рис. 10, а): по оси абсцисс — время развертки луча осциллографа, по оси ординат — амплитуды видеоимпульсов. Исследовалась также зависимость мощности излучения от массы исходной шихты Ре203 + Д1 (рис. 10,6). Как следует из рис. 10,6, на низких частотах имеет место линейная зависимость мощности излучения от массы реагирующей шихты, а на высоких частотах наблюдается тенденция к насыщению уровня мощности излучения.

Далее исследования проводились при откачке камеры до давления 3 кПа. Установлено, что при массе исходной шихты 2 г сигнал возрастает в 3,5 раза по сравнению с сигналом при атмосферном давлении 101 кПа (в поддиапазоне 10,7^12,7 ГГц).

Вероятным механизмом радиочастотной эмиссии волны горения может быть тормозное излучение свободных электронов, вызванное их столкновениями с ионами и нейтральными атомами газовой плазмы. Согласно [5, 6], источником электронов является поверхность конденсированных фаз, которая в момент физико-химических превращений выделяет заряженные частицы с энергетическим спектром до 150 эВ. Учитывая, что при нормальном давлении длина свободного пробега в газе не выше 10-6 м, тормозное излучение практически исходит от поверхности частиц продуктов реакции в зоне высокотемпературного ядра облака взвеси. Необходимо отметить, что в указанных условиях измерений антенна принимает только часть СВЧ-излучения облака взвеси. В предположении изотропности излучения его интегральная мощность превышает измеренное значение в 4л\2/ Бэфф ~ 5102 раз (\ ~ 0,9 м — расстояние от антенны до образца, Б ~ 2,0-10-2 м2 — эффективная площадь антенны) и, например, для образца массой 1610-3 кг может достигать величины (1^8)-10-3 Вт. Наблюдаемое излучение в значительной степени является неравновесным и по мощности на 4^7 порядков превышает предельный уровень теплового излучения продуктов горения в том же диапазоне длин волн, определяемый формулой Планка стандартных сигналов

9 10 11

Рис. 8 — Схема измерения СВЧ-излучения волны горения: 1 — автотрансформатор; 2 — спираль; 3 — исходная смесь; 4 — шамотный кирпич; 5 — металлический куб; 6 — рупорная антенна; 7 — усилитель; 8 — преобразователь частоты; 9 — усилитель промежуточной частоты; 10 — детекторная секция; 11 — фильтр нижних частот; 12 — запоминающий осциллограф

Рис. 9 — Калибровочная схема СВЧ-излучения волны горения: 1 — рупорная антенна; 2 — переменный аттенюатор; 3 — генератор

Р - SAX

2wc2

h

X5 ехр (Лс/кАТ)- 1'

где X = (8,00; 2,60; 0,83)-10-2 м и АХ = (1,70; 0,40; 0,05)-10-2 м — соответственно средние значения и интервалы детектируемых длин волн; Т ~ 3200 К — максимальная температура горения; Л, к — постоянные Планка и Больцмана; с — скорость света.

U-103,B 160 i

120

80 Н

40

, J

0,5 c

0,5 c

Р106, Вт

12

0,5 c

8

4

4

8

12 m-103, кг

а б

Рис. 10 — Огибающая СВЧ-сигнала на экране осциллографа (а); зависимость мощности излучения от массы исходной шихты (б): 1 — 3,4-4,2 ГГц; 2 — 10,7-12,7 ГГц; 3 — 35,5-37,5 ГГц

Работа выполнена при поддержке РФФИ, номер проекта 05-03-32139.

1

1

2

2

3

3

0

0

Литература

1. Кидин Н.И. Пламя в электрическом поле / Н.И. Кидин, В.Б. Либрович. — М. : Энергия, 1985. - № 9. - С. 10-16.

2. Морозов Ю.Г. Нетепловое воздействие электрического поля на процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Ю.Г. Морозов, М.В. Кузнецов, А.Г. Мержанов // Докл. академии наук. - 1997. - Т. 352, № 6. - С. 771-773.

3. Kudryashov V.A. Chemoionization waves in Heterogeneous Combustion Processes / V.A. Kudryashov, A.S. Mukasyan, I.A. Filimonov // Journal of Materials and Processing. - 1996. -Vol. 4, № 5. - Р. 353-358.

4. Генерация и перенос электрического заряда при СВС на примере системы Co-S / Ю.М. Максимов [и др.] // Физика горения и взрыва. - 2000. - Т. 36, № 5. - С. 130-133.

5. Неравновесные электрофизические явления в процессах СВС / А. И. Кирдяшкин [и др.] // Докл. академии наук. - 2001. - Т. 381, № 1. - С. 66-68.

6. Особенности электрофизических явлений в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / А.И. Кирдяшкин [и др.] // Физика горения и взрыва. -2004. - Т. 40, № 2. - С. 61-67.

7. Formation of Low - Temperature Plasma dating an SHS process / O.K. Kamynina [et al.] // I nternational J. Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2001. - Vol. 10, № 1. -Р. 55-62.

8. Измерение радиотепловых и плазменных излучений в СВЧ-диапазоне / А.Е. Башари-нов [и др.]. - М. : Советское радио, 1968. - 360 с.

9. Электрические и эмиссионные свойства продуктов взрыва тугоплавких гетерогенных взрывчатых смесей / А. А. Борисов [и др.] // Химическая физика. - 2002. - Т. 21, № 11. -С. 52-63.