ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТВЕРДОПЛАМЕННОГО ГОРЕНИЯ СИСТЕМЫ NI-AL МЕТОДОМ СКОРОСТНОЙ ВИДЕОСЪЕМКИ.

В статье представлены результаты экспериментального исследования волны горения в порошковых смесях системы Ni-Al с помощью применения метода скоростной киносъемки. На основе полученных данных определялись характерные пространственно- временные масштабы тепловой структуры волны СВС и температурная динамика в локальной точке.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, термограмма, реакционная ячейка, яркостная пирометрия, температурное поле.

The method of high-speed filming spends experimental researches development of a wave of burning SHS in powder mixes of system Ni-Al. On the basis of the received data were defined characteristic spatially - time scales of thermal structure of wave SHS and temperature dynamics in a local point.

Keywords: self-extending high-temperature synthesis, a gradient, a microstructure, a flame, speed of burning, the centre, a surface, high-speed filming.

Одним из способов получения наноструктурированных материалов является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Совокупность возможных направленных воздействий на реакционную среду и их комбинации определяет множество вариантов реализации операций технологического горения и соответствующее разнообразие полученных веществ. Таким образом, для получения материалов с заданными свойствами, необходимо осуществлять контроль за процессами горения, а именно, температурой и скоростью распространения фронта горения.

Детальное исследование механизма взаимодействия СВС-систем требует применения комплексных методик эксперимента дополняющих друг друга. В качестве экспериментальной методики исследования СВ-синтеза может рассматриваться метод и аппаратура яркостной пирометрии высокого разрешения, впервые примененныйк изучению закономерностей и механизма реакций в системе Ni-Al [1-2,7-8].

Высокоскоростная микровидеосъемка позволяет наблюдать процесс горения с временным разрешением 10^-3 с, и пространственным порядка 100 мкм.

Так как реакция СВС протекала в пробирке, имеющей диаметр, близкий к критическому и теплоотвод через боковую поверхность существенен, то система уравнений, описывающих стационарное распространение волны имеет вид (1):

где ?=?(?) –уравнение зависимости теплопроводности зоны горения от степени полноты реакции; m- массовая скорость горения; с-теплопроводность; ?- степень полноты реакции, ?-коэффициент излучения реакционной зоны; ? – постоянная Стефана-Больцмана; Q – теплота реакции, Т₀ – начальная температура, d – диаметр образца, ? – коэффициент теплоотдачи,  -скорость тепловыделения. В условиях высоких градиентов температур конвективным теплообменом можно пренебречь.

Наблюдение процесса горения CВС показало, что на начальной стадии развитие первичного одиночного очага привело к распространению фронта волны, имеющего форму, близкую к полусфере, скорость фронта примерно одинаковая во всех направлениях. Этот режим предусма­тривает наличие большого количества частиц реагентов в зоне инертного прогрева, так что их характеристики могут быть усредне­ны, и гетерогенная система заменяется гомогенной с этими усред­ненными свойствами.

Однако по мере продвижения фронта волны горения, симметричная форма искажается, что предопределяет направление фронта волны в дальнейшем (Рисунок 1). После окончания переходного процесса наблюдается:

• воспламенение и сгорание отдельной частицы (реакционной ячейки) с характерным временем, — быстрое распростра­нение фронта;
• задержка воспламенения, в течение которой имеет место прогрев соседней реакционной ячейки, — фронт волны не­подвижен.

Таким образом, реализуется иной механизм распространения волны реакции- эстафетный или сцинтилляционный, в котороммедленные периоды распространения тепла (стагнация фронта горения) сменяются активными периодами хими­ческого реагирования, сопровождающимися локальным повышением температуры (вспышка - сцинтилляция) и быстрым продвижением фронта. При этом ширина зоны реакции сравнима с масштабом гетерогенности среды.

В рамках моделей механики сплошных сред перенос тепла в нестационарном случае описывается уравнением (2):

где ? – коэффициент температуропроводности; C(T) – теплоемкость; r – плотность образца; q_v –источник тепловыделения. Величину тепловыделения можно определить с помощью следующего выражения (3):

,

где W – энергетический выход химической реакции Вт/м³, Дж/кг; r – реальная плотность образца, кг/м³; u – скорость распространения волны, м/с; n – ширина зоны горения; Dz – толщина волны горения, м.

Компьютерная обработка последовательных кадров СВС-горения в сцинтилляционном режиме позволяет определить мгновенное значение координат точек, составляющих линию фронта горения. Мгновенные значения скоростей в некоторых точках (рис.5. а) поверхности образца исходя из термограмм горения СВС (рис.5. б) дают разброс значений от V=1,4мм/с, до V=21,7 мм/c. Причем, эти же высокоскоростные области являются и самыми высокотемпературными. Максимальная температура горения смеси, в соответствии с представлениями модели горения второго рода, должна лимитироваться температурой плавления наиболее тугоплавкого элемента смеси, т. е. никеля [4]. Однако, анализ динамики температурных полей областей реакции СВ -синтеза показал наличие горячих очагов со сверхадиабатической яркостной температурой 1760⁰С.

Рис. 3.  Идентификация областей: а) наложение градиентного поля высокотемпературной области и той же области на насыпке (оригинал); б) наложение градиентного поля высокотемпературной области и той же области на продуктах реакции (оригинал); в) Последовательность кадров (оригинал) с высокотемпературной областью, для которых были построены градиентные поля; г) сопоставление контуров сверхадиабатических очагов с нескольких кадров с исходной шихтой д) сопоставление контуров сверхадиабатических очагов с нескольких кадров с конечной структурой образца.

Превышение этой температуры можно объяснить переизлучением в порах, которое как известно, зависит от их геометрии. Так как форма пор в процессе СВС изменяется, то яркостная температура будет непостоянной.

Исходя из анализа термограмм и наложений изолиний температурного поля и соответствующих областей насыпки и продукта реакции (Рисунок 3), можно следующее сделать следующие выводы:

1. Высокотемпературная зона зарождается на частицах никеля.
2. После того как прошла СВС - реакция, на месте высокотемпературной области есть полость.
3. В наблюдаемой высокотемпературной области поверхность частицы никеля, окруженная расплавом алюминия, образует реакционную  ячейку.
4. Самая высокотемпературная область располагается вдоль границы реакционной ячейки, следовательно, в основном, там и протекают химические реакции.
5. Динамика реакционной ячейки (очага), показывает, что зарождение новых соединений (зародышей) происходит на выпуклых границах частицы никеля, контактирующей с расплавом алюминия (реакционной ячейки), с их последующим вытеснением в расплав.[3-6]

Даже в случае идеально­го контакта между частицами для реальной гетерогенной систе­мы необходимо предположить, что предварительное смешение компонентов приводит к возможности выделения минимального объема реакционной среды с заранее заданным (например, стехиометрическим) соотношением реагентов. Этот минимальный объем реагентов и есть элементарная реакционная ячейка. Ме­ханизм взаимодействия внутри такой ячейки и ее размеры опре­деляют специфику реагирования в той или иной системе твердопламенного горения. Исследуя градиентное поле температур реакционной ячейки можно видеть, что существует неоднородность температур внутри реакционных ячеек. Размеры области реакционной ячейки порядка 100 мкм×100 мкм. При построении модели реакционной ячейки, можно выделить область порядка 50 мкм×50мкм, имеющую близкую по значению температуру. В данном случае можно в дальнейшем проверить точность соответствия модели [9,10], в которой структура среды представлялась как набор цилиндрических элементов, сечение которых характеризуется масштабом d. Часть этих элементов случайным образом удаля­лась, так чтобы количество образовавшихся пустот соответствовало заданной пористости среды. Если на такую среду наложить сетку с квадратными ячейками со стороной d/2, то это приведет к формированию трех основных типов эле­ментарных ячеек: 1—«ядро», 2—«поры» и 3—«контакт». В этих ячейках преобладают различные механизмы теплопроводности: 1-кондукция по твердому телу; 2-лучистый перенос через поры; 3-контактная теплопроводность. Каждая ячейка (i,j) обменивается теплом с соседями по закону (3): 

Аналогично для y. Реакция начинается, когда реакцион­ная ячейка прогревается до некоторой заданной температуры Tign и затем протекает очень быстро (4):

H(x)-функция Хевисайда. Такая модель позволяет напрямую сравнить расчетные данные с результатами экспериментов по микроструктуре волны горения, полученные высокоскоростной микровидеосъемкой процесса горения. 

 Литература:

1. Гарколь Д.А., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Мухачев А.Б. Новая методика высокоскоростной яркостной пирометрии для исследования процессов СВС // Физика горения и взрыва, 1994, т. 30, № 1, С.72-77.
2. Евстигнеев В.В, Гуляев П.Ю.,. Иордан В.И,. Калачёв А.В Теоретические модели и экспериментальные методы исследования механизма формирования тепловой структуры в волне горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза// Позуновский вестник 2005. №1-с. 313-320
3. Евстигнеев В.В., Гуляев П.Ю, Гончаров В.Д. Исследование тонкой тепловой структуры СВ-синтеза методом быстродействующей цифровой тепловизионной съемки.// Вестник Алтайского научного центра сибирской академии наук высшей школы. 2003. №4.-С.3-6.
4. Евстигнеев В.В., Милюкова И.В., Гуляев И.П, Соломенцев С.Ю., Амброськин И.Е. Влияние инертных добавок на теплофизические характеристики СВ-синтеза в системе Ni-Al. //// Труды всероссийской конференции «Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов» (Москва, 24-27 июля 2002г.), типография ИСМАН.Черноголовка.2002.-С.391-395.
5. Евстигнеев В.В., Гуляев П.Ю, Гончаров В.Д. Исследование тонкой тепловой структуры СВ-синтеза методом быстродействующей цифровой тепловизионной съемки // Вестник Алтайского научного центра сибирской академии наук высшей школы, 2003, №4, С. 3-6.
6. Мержанов А.Г. Твердопламенное горение.- Черноголовка, ИСМАН, 2000. - 224с
7. Патент 2099674 РФ. МПК G01J 5/52. Способ измерения яркостной температуры объекта /В.В. Евстигнеев, В.М. Коротких, П.Ю. Гуляев, А.В. Еськов, М.А. Гумиров. Заявлено 01.07.1996; Опубл. 20.12.1997, Бюл. № 35. -2 с.:
8. Патент 2094787 РФ. МПК G01N 25/28, G01J 5/12. Способ измерения температуры фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов / П.Ю. Гуляев, М.А. Гумиров, В.В. Евстигнеев. Заявлено01.07.1996; Опубл. 16.01.1998, Бюл. № 1. -5 с.
9. Hwang S., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Varma A. Combustion wave microstructures in gas-solid system: Experiments and theory // Combustion Sci. Technology, 1997. Vol. 123. P. 165-183.
10. Hwang S., Mukas'yan A.S., Varma A. Mechanisms of combustion wave propagation heterogeneous reaction systems // Combustion Flame. 1998. Vol. 115. P. 354 363.

Comments: 5

Kasumova Rena Jumshud

05 / 24 / 2013 - 15:19

Статья посвящена актуальной теме разработки наноструктур. Научная работа выполнена с применением современных способов анализа. Хороший уровень исследований. Касумова Р.Дж.

Milshtein Aleksandr

05 / 23 / 2013 - 22:39

Статья написана на высоком научном уровне, имеет важное практическое и теоретическое значение. Тема исследования актуальна и имеет практическое применение.

Ivanova Tatiana Alecsandrovna

05 / 22 / 2013 - 21:47

Моя оценка "отлично".Статья имеет строгую научную основу.Автор по новому исследует физическое явление.Статья отвечает заявленному названию.Логически верна.

Boronenko Marina Petrovna

05 / 22 / 2013 - 10:06

Пояснение к статье: видеокамера предварительно откалибрована по температуре

Suleimenov Essen Nurgalievich

05 / 22 / 2013 - 06:23

Изучение оптичяеских явлений, которые происходят в ходе химических реакций пока недостаточно широко используется для исследований. Между тем, такие исследования могут дать большой информативный материал, в частности, для исследования закономерностей колебательных и волновых апроцессов в химических системах. Статья производит хорошее впечатление и заслуживает положительной оценки. Д.т.н. Сулейменов. Казахстанско-Британский Технический Университет.