CC BY
18
СРАВНЕНИЕ МОДЕЛИ СВС ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОГО ВЗРЫВА С МОДЕЛЬЮ РАЗРУШЕНИЯ КАПЕЛЬ ПРИНЦА РУПЕРТА (ДАТСКИЕ СЛЕЗЫ) Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент, Богатов Максим Валерьевич, студент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - это сильноэкзотермический процесс, проводимый с целью синтеза веществ, материалов. СВС представляет собой режим протекания синтеза с выделением тепла (реакции горения), в котором тепловыделение локализовано в слое и передается от ячейки к ячейки путем теплопередачи. В данном процессе реализуется метод твердопламенного горения. Волна горения представляет собой комплекс, в котором локализованная в слое химическая реакция, перемещаясь в пространстве реагентов, переводит их в продукты горения [1].
Разновидностью реакции СВС является электротепловой взрыв (ЭТВ) -тепловой взрыв, происходящий при нагреве реакционно-способного образца прямым пропусканием электрического тока. Одним из вариантов проведения высокотемпературного синтеза является нагрев исходной реакционной смеси с заданной скоростью, завершающийся тепловым взрывом. Основная особенность данного способа синтеза заключается в том, что инициирование реакции осуществляется не с поверхности, а за счет прогрева всего реагирующего вещества. При этом, в зависимости от соотношения определяющих параметров, максимум температуры может возникать либо в центре реакционного объема, либо между центром и поверхностью [2].
а) б)
Рисунок 1. Модель распространения электротеплового взрыва системы, а) до подачи электрического импульса; б) после подачи электрического
импульса.
Так как в большинстве случаев в реакциях СВС процесса участвуют порошки, то можно представить себе систему в виде реакционных ячеек. В процессе электротеплового взрыва реакционные ячейки мгновенно пере-
дают друг другу импульс, которые они получили извне. Передача импульса возбуждает систему с очень большой скоростью и тем самым происходит электротепловой взрыв. Схематично это можно представить след образом (рисунок 1).
Теперь перейдем к модели, с которой будем сравнивать модель СВС реакции, стеклянной капли принца Руперта (Prince Rupert's Drop), или «датской слезы».
Метод изготовления такого изделия весьма прост, достаточно нагреть любой стеклянный материал до температуры плавления и резко его охладить в воде, в итоге у нас получится искомая капля принца Руперта.
Физико-химический процесс затвердевания капли заключается в следующем: наружный слой стекла быстро застывает, уменьшается в объеме и начинает давить на всё еще жидкое ядро. Когда внутренняя часть тоже остывает, ядро начинает сжиматься, однако теперь этому противодействует уже застывший внешний слой. С помощью межмолекулярных сил притяжения он удерживает остывшее ядро, которое теперь вынуждено занимать больший объем, чем если бы оно охладилось свободно. В итоге на границе между внешним и внутренним слоем возникают противоборствующие силы, которые тянут внешний слой внутрь, и в нем образуется напряжение сжатия, а внутреннее ядро — наружу, образуя напряжение растяжения. При этом внутренняя часть может даже оторваться от наружной, и тогда в капле образуется пузырек. Это противостояние делает каплю прочнее стали. Но если все-таки повредить ее поверхность, нарушив внешний слой, скрытая сила напряжения высвободится, и от места повреждения вдоль всей капли прокатится стремительная волна разрушения. Скорость этой волны — 1,5 км/с, что в пять раз быстрее скорости звука в атмосфере Земли. На рисунке 2 показана поэтапная схема разрушения системы.
Исходя из данных, моделей можно провести аналогию систем: СВС электротеплового взрыва с каплей принца Руперта.
Протекание СВС процесса электротеплового взрыва заключается в механическом импульсном воздействии на систему, которая приводит экзотермическую реакцию в действие мгновенно. В волне электротеплового взрыва реакционные ячейки друг за другом передают энергию импульсного воздействия до того пока не прореагируют все ячейки.
В модели системы капли принца Руперта механически воздействуя на «хвост» капли система переходит из метастабильного в стабильное состояние (так как любая система старается понизить свою внутреннюю энергию), то есть, придавая механический импульс системе, также имеет место волна, но только волна разрушения, которая приводит к стабильному состоянию.
Рисунок 2. Схема разрушения капли принца Руперта (датской слезы).
Обратим внимание на то, что как в одной, так и в другой системе имеется импульс, только в первом случае это электрический импульс (нагрев), во втором случае механический импульс (физическое воздействие).
Также в обеих системах присутствует волна: в первом случае это волна электротеплового взрыва, в другом случае волна разрушение, приведение системы в стабильное состояние.
Отсюда и прослеживается аналогия систем: СВС-реакции электротеплового взрыва и модели капли принца Руперта.
Список использованных источников
1. Мержанов А.Г. Твердопламенное горение / Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007 - 336 С.
2. Мержанов А.Г. Концепция развития СВС как области научно-технического прогресса / Мержанов А.Г. - Черноголовка, «Территория», 2007.- 368 С.
