Электрофизические явления в волне горения металлов переходной группы и управление процессом горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе Габбасов Рамиль Махмутович

Содержание к диссертации

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО

ПОЛЕЙ НАСВС В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ .„.9

1. СВС во внешнем электрическом поле 9

2. СВС во внешнем магнитном поле 14

3. Генерация и перенос заряда в волне горения 17

4. Электродвижущая сила в волне горения 19

5. Синтез ферритов методом СВС 27

6. Методы управления процессом СВС 31

7. Постановка задачи 36

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ 39

8. Экспериментальные материалы исследования 39

9. Методика приготовления образцов 40

10. Методы исследования СВС процессов 41

2.3.1 Метод исследования влияния внешнего электрического

поля на процесс горения 41

2. Методы исследования СВЧ излучения 45

3. Структурные методы исследования 48

4. Методика измерения скорости горения 49

5. Измерение температуры горения 50

3 ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА
ПАРАМЕТРЫ ГОРЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ 51

3.1 Влияние переменного электрического поля на скорость горения 51

1. Система Ni-Al 51

2. СистемаBa0₂-Cr₂0₃-C 63

3. Система Mo-B-Ti 63

3.2 Влияние переменного электрического поля на фазовый

состав конечных продуктов синтеза 68

4. Система Ni-Al 68

5. Система Ва0₂-Сг₂0₃-С 68

6. Система Mo-B-Ti 68

7. Система Ba0₂-Fe₂0₃-CoO-ZnO-Fe-0₂ 71

3.3 Выводы к главе 87

4 СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ ГОРЕНИИ
ЖЕЛЕЗОАЛЮМИНИЕВОГО ТЕРМИТА 88

8. Постановка эксперимента по обнаружению СВЧ-излучения 88

9. Результаты исследования СВЧ-излучения 89

10. Анализ полученных данных 109

11. Выводы к главе 112

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 116

Приложение А 133

Приложение Б 134

Введение к работе

Открытое в 1967 году академиком А.Г. Мержановым, И.П. Боровинской и В.М. Шкиро явление самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в настоящее время используется для получения широкого спектра неорганических соединений и сплавов. Сущность явления заключается в реализации автоволновой экзотермической химической реакции в конденсированных фазах, что позволяет практически без затрат энергии получать ценные целевые продукты.

СВС представляет собой сложный процесс с множеством различных физических и химических стадий, роль которых в формировании продукта реакции до конца невыяснена. В связи с этим является актуальной разработка эффективных путей регулирования реакции, представляющих интерес как для практики получения химических продуктов заданного качества, так и для углубленного понимания природы СВС.

По величине концентрации диссипируемой энергии (до ] 0^й Вт/м ) волна горения в конденсированных фазах на 3 + 4 порядка превосходит газовые пламена и другие химические процессы, что позволяет рассматривать СВС в качестве перспективного автономного источника электромагнитного излучения.

Объектами исследований в диссертационной работе являются закономерности гореиия и формирования конденсированных продуктов взаимодействия, параметры радиочастотного излучения волны горения при протекании процесса СВС в обычных условиях и при наложении внешнего электрического поля.

Работа ориентирована на получение дополнительной информации о механизме взаимодействия реакционных систем с внешним электрическим полем и природе эмиссионных явлений в реакциях горения. Результаты исследований позволяют расширить круг методов контроля, активации процесса горения, управления качеством целевого продукта реакции, а также обеспечить основу для создания новых химических источников СВЧ~ излучения.

К настоящему времени исследован тепловой механизм воздействия электрического поля на различные физико-химические процессы в волне СВС. Этот механизм реализуется за счет джоулева подогрева реакционной системы, что требует высоких энергетических затрат (более 10-10 Вт/кг), которые, в ряде случаев, экономически не оправданны. В настоящей работе исследуется возможность нетепловой активации СВС с использованием переменного электрического поля.

Работы проведены в рамках госбюджетной темы «Управление процессами высокотемпературного синтеза и модификация функциональных неорганических материалов с помощью физических полей» ГР №0120.0 404462 и при частичной поддержке РФФИ №05-03-32139 и фонда CRDF грант ТОО 16-02.

Цель работы

Основной целью работы является разработка способов регулирования кинетикой гетерогенного горения, составом продукта реакции и эмиссионными явлениями в процессах СВС с использованием нетеплового действия электрического поля.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Скорость горения порошковой смеси №+16мас.%А1 при увеличении частоты протекающего тока от 5 кГц до 200 кГц или напряжения от 1000 В до 4500 В увеличивается в 2,2 раза за счет активирующего действия микроразрядов между частицами исходной смеси.

2. Вследствие неравновесной ионизации и тормозного излучения свободных электронов газовой плазмы в волне горения реакция СВС сопровождается радиочастотным излучением, которое по мощности на 4+7 порядков превышает предельный уровень теплового излучения.

3. Повышение энергии свободных электронов плазмы во внешнем электрическом поле позволяет регулировать интенсивность радиочастотного излучения волны горения. Приложение постоянного электрического ПОЛЯ напряженностью 10000 В/м к волне горения системы Fe₂C>3-Al увеличивает мощность СВЧ-излучения в 15 раз.

Новизна полученных результатов

4. Впервые обнаружен активационный эффект воздействия внешнего переменного электрического поля малой мощности на кинетику горения и характеристики фазообразования продуктов. Показано, что скорость реакции практически линейно увеличивается с повышением частоты от 5 кГц до 200 кГц.

5. Впервые зарегистрировано СВЧ-излучение из волны горения СВС на примере систем FejCVAl, Ni-Al, Ті-С, Ва0₂-А1 и CuO-Al. Установлено, что величина мощности излучения зависит от площади свободной поверхности продуктов реакции и на 4+7 порядков превышает уровень теплового излучения в том же интервале длин волн.

Достоверность научных результатов обусловлена: использованием в качестве теоретической и методологической базы диссертации фундаментальных исследований отечественных и зарубежных ученых в области процессов горения гетерогенных систем, образующих конденсированные продукты реакции, а также в области радиофизики и физики плазмы; применением современных приборов и методов исследования и сопоставлением результатов с известными в литературе данными.

Практическая ценность работы

Полученные в диссертационной работе результаты по влиянию электрического поля на СВС использованы в НИР Отдела структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН для синтеза новых неорганических материалов с заданным составом, получение которых традиционными способами затруднено. Результаты по радиочастотному излучению волны СВС внедрены в учебный процесс по программе создания автономных источников СВЧ в определенном диапазоне длин волн.

Публикации

Результаты диссертации отражены в 14 работах [1-14], опубликованных в российских и зарубежных журналах, сборниках, трудах и материалах симпозиумов, международных и всероссийских конференций.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на IV Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР-2005» (Томск, 2005), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука Технологии Инновации» (Новосибирск,

2005), Международной школе-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2005), VIII Международном симпозиуме по СВС (Италия, 2005), III Всероссийской конференции молодых ученых (Томск, 2006) и научных семинарах отдела структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, перечня используемой литературы и приложения. Объем диссертации составляет 134 страниц текста, 44 рисунка, 7 таблиц, 130 библиографических названий, 2 страниц приложения. Первая глава диссертации посвящена обзору известных литературных данных: по процессам электронной и ионной эмиссии, генерации ЭДС и другим электрическим явлением в волне СВС; по воздействию электрического и магнитного полей на процесс горения и структурообразования продуктов реакции. Вторая глава посвящена методикам исследования процессов горения и получаемых материалов. Третья глава посвящена исследованию параметров волны горения при воздействии внешнего переменного электрического поля. В четвертой главе приведены результаты исследования СВЧ - излучения из волны горения.

Похожие диссертации на Электрофизические явления в волне горения металлов переходной группы и управление процессом горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе

Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителяхСандалов Александр Николаевич

Электрофизические явления в волне горения металлов переходной группы и управление процессом горения при самораспространяющемся высокотемпературном синтезеГаббасов Рамиль Махмутович

Методы оптической микропирометрии для исследования тепловой структуры волны горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза Калачев Александр Викторович

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез композиционных порошков тугоплавких соединений SiC-Al2O3, B4C-Al2O3, TiB2-Al2O3 в режиме фильтрационного горенияОкунев Алексей Борисович

Строение металла в кобальтовых катализаторах синтеза Фишера-Тропша по данным 59Со ЯМР во внутреннем полеАндреев Андрей Сергеевич

Коллоидные структуры с различной морфологией: синтез, оптические свойства и оптодинамические явленияЕршов Александр Евгеньевич

Гидродинамические явления в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтезаКитлер Владимир Давыдович

Когерентные нелинейные явления в физике волн материи и экситоновТкаченко Дмитрий Викторович

Спиновые волны и коллективные явления в квантовых газах и квантовых жидкостях Башкин Евгений Петрович

Проблемы дисперсии, сингулярной кинематики, общей теории нормальных волн и обратноволновых явленийБырдин Василий Михайлович