Введение к работе
В последнее время широкое распространение получили новые технологические процессы, связанные с образованием конденсированной фазы из газа в результате физико-химических превращений. Одним из примеров такой технологии являются CVD- процессы (Chemical Vapor Deposition - химическое соосаждение из пара). Этот метод широко используется для нанесения тонких пленок из разнообразных высокотехнологичных материалов на поверхность подложки. В качестве подложки могут выступать: плоская пластина, тонкая нить или мелкодисперсные частицы. В типичном CVD-процессе газообразные реагенты (часто разбавленные в несущем газе) вводятся в реакционную камеру. Процесс инициируется нагреванием подложки или смеси в целом. В результате совместного протекания гомогенно-гетерогенных реакций происходит осаждение парофазных продуктов реакции на твердой поверхности. Важный момент этого процесса - наличие узкой зоны вблизи поверхности конденсированной фазы, связанной с гетерогенными превращениями на межфазной границе и конечной скоростью диффузионного транспорта компонентов. Концентрации реагентов и температура газа в этой зоне существенно отличаются от их значений в остальном объеме газовой фазы.
В связи с этим, актуальным является вопрос о физико-химической модели процесса, учитывающей особенности приповерхностной зоны. К настоящему времени большинство исследователей хоть и признают наличие такой зоны, но не рассматривают ее в качестве самостоятельного участника физико- химического процесса и пренебрегают ее массой.
Основное предположение заключается в том, что термодинамические параметры состояния газовой фазы вблизи поверхности раздела фаз (микроскопические параметры) непосредственно влияют на скорость фазовы-деления и условия равновесия фаз на этой поверхности и , в свою очередь, зависят от параметров газовой фазы во всем объеме (макроскопических параметров). Существует и обратная связь - макропараметры зависят от микропараметров, т.е. от процессов, происходящих на поверхности конденсированной фазы. Таким образом, состояние системы предлагается рассматривать как результат совместного протекания процессов на макро- и микроуровне. В этом случае задача существенно усложняется, и вместо отдельных независимых частиц конденсированной фазы мы получаем систему частиц, взаимодействующих между собой посредством процессов в газовой фазе, и нужны специальные математические методы для ее описания.
Основная идея заключается в том, что поскольку мы характеризуем состояние системы вблизи поверхности раздела фаз некоторым набором термодинамических параметров, то можно ввести понятие поверхностной фазы с соответствующими параметрами. Это не противоречит понятию фазы, принятому в термодинамике, согласно которому под фазой понимают физически однородное тело или совокупность однородных тел, тождественных в отноше-
ний всех параметров своего состояния. Таким образом, предлагается рассматривать реагирующую среду не как двухфазную (из газообразных исходных и промежуточных реагентов и конденсированных продуктов), а как состоящую из трех фаз, в которой существует взаимодействие между газовой фазой (первая фаза), поверхностной фазой (вторая фаза), сосредоточенной в узкой зоне на поверхности конденсированной фазы и собственно конденсированной фазой (третья фаза). При этом первая и вторая фазы являются газообразными по своему физическому составу и состоят из одних и тех же компонент, реагирующих с образованием газообразных продуктов и способных конденсироваться на твердой поверхности. Учет дополнительной второй фазы позволяет, с одной стороны, достаточно просто разделить сложный физико-хими- ческий процесс на стадии, протекающие с конечными скоростями тепло- и массопереноса, а с другой - более точно рассчитать существующее межфазное взаимодействие, поскольку, используя методы механики сплошной среды, мы можем получить уравнения сохранения для каждой фазы и рассматривать поверхностную фазу в качестве равноправного участника процесса.
Степень новизны полученных результатов. Впервые проведено комплексное теоретическое изучение процесса химической конденсации в двухфазных реагирующих системах в результате которого:
предложен метод описания гетерогенных химических процессов в многофазных средах путем введения дополнительной термодинамической фазы, параметры которой соответствуют узкой приповерхностной зоне над конденсирующимся продуктом;
разработаны математические модели, учитывающие основные характеристики исследуемых процессов, в том числе многомаршрутность химических реакций и двухфазность реакционной среды;
численно исследованы основные режимы и закономерности процесса фазовыделения в результате физико-химических превращений, как на поверхности конденсированной фазы, так и во всем объеме многофазной реакционноспособной среды.
Практическая ценность работы. Создана основа математического моделирования процессов физико-химической конденсации для определенного класса реакционных аппаратов современной технологии.
Показана принципиальная важность учета микрообстановки в окрестности зоны фазовыделения.
Показано, что макроскопическими параметрами системы (температурой, концентрацией газовых компонент, давлением и др.) можно воздействовать на микропараметры в окрестности выделяющейся фазы. В результате, возникают реальные пути контролируемого синтеза ультрадисперсных материалов, в том числе градиентных по своему составу.
Публикации. По результатам работы имеется 5 публикаций, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, основной части, выводов, двух приложений и литера-
туры. Основная часть содержит три главы. Содержание диссертации изложено на 101 странице, включая 14 рисунков из 53 графиков численных расчетов и списка литературы (103 работы).
