Введение к работе
Актуальность проблемы. Важное значение в решении задач создания новых и совершенствования известных материалов принадлежит нетрадиционным методам их получения. К числу таких методов относится открытый А.Г. Мержановым, И.П. Боровинской и В.М. Шкиро самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Важнейшие преимущества СВС -простота и надежность используемого оборудования, практическое отсутствие энергозатрат, чистота продуктов, скорость синтеза и управляемость процессом - делают его одной из наиболее перспективных технологий.
Практическое развитие СВС проходит в двух направлениях. Первое - «синтетическое», основной задачей которого является получение веществ требуемой номенклатуры: бори-дов, карбидов, оксидов, нитридов и др. соединений и их композиций. Главные требования при этом - полнота превращения и чистота продуктов. Важной задачей этого направления является получение материалов в виде порошков или легкоразрушаемых конгломератов, что необходимо для уменьшения издержек при дроблении, помоле, классификации.
Второе направление связано с получением после СВС полуфабрикатов или готовых изделий. Так как большинство синтезируемых веществ обладают высокой твердостью, тугоплавкостью и износостойкостью, т.е. требуют при доработке энергоемкого оборудования, то миниминизация затрат по доводке полуфабрикатов до готовых изделий имеет большое значение. В отличие от синтетического направления, где требуется минимальная прочность материалов, полуфабрикаты и изделия должны иметь прочностные характеристики, удовлетворяющие заданным условиям эксплуатации.
Структуру синтезированных материалов можно охарактеризовать на микро- и макроуровнях. К первому относятся размеры зерен, совершенство кристаллической структуры, количество и распределение микронеоднородностей и др. Макроструктура определяется общей пористостью, распределением ее по объему, удельной поверхностью, размером характерных элементов структуры, изменением размеров и формы сгоревших заготовок, наличием трещин и др.
Исследованию особенностей формирования структуры продуктов в волне горения посвящен ряд экспериментальных и теоретических работ, в которых определено действие различных факторов. Вместе с тем рассмотрение конкретных систем или отдельных факторов не позволяет выявить и обобщить типичные особенности структурных превращений и создать теорию структурообразования в процессах СВС. Для решения этой проблемы важным является построение теоретических моделей таких процессов, которые, с одной стороны,
позволяли бы выявить и классифицировать различные механизмы структурообразования и определить возможность управления ими, с другой стороны, в ходе совместного рассмотрения, с процессом распространения фронта уточнить характеристики горения.
Таким образом, теоретическое изучение формирования макроструктуры продукта в волне горения представляет собой важную и актуальную задачу теории и практики горения гетерогенных систем с конденсированными продуктами.
Цель работы - создание методологических подходов к изучению макроструктурных превращений в волне СВС в условиях совместного действия фильтрующегося в порах газа, спекания, объемных изменений при химическом взаимодействии, диффузии, внешней нагрузки; исследование формирования макроскопической структуры продуктов синтеза и влияния структурообразования на распространение волны горения для различных типов систем и условий проведения синтеза. На основе полученных результатов и их сопоставлении с экспериментом получить представления о механизме формирования макроскопической структуры продуктов во фронте, определить пути управления структурообразованием и горением.
Научная новизна работы заключается в формулировке и развитии теории формирования макроструктуры вещества во фронте горения гетерогенных систем, образующих конденсированные продукты. В рамках этого направления получены следующие научные результаты.
1.Исследованы особенности трансформации исходной гетерогенной смеси после плавления легкоплавкого реагента и определены ее характеристики в зависимости от начальных параметров. Уточнены условия появления локальных неод-нородностей структуры, вызывающих структурное торможение реагирования. 2. На основе представлений механики многофазных сред построены двухтемпературные и двухскоростные математические модели макроструктурных превращений в волне горения гетерогенных систем с конденсированными продуктами. Модели учитывают взаимосвязанное влияние на структуру в.ещества и параметры горения фильтрующегося в порах газа, жидкофазного спекания и объемных изменений конденсированной фазы при химическом взаимодействии. З.В квазистационарном приближении проведены численные и аналитические исследования формирования макроструктуры для безгазового, фильтрационного горения и при горении малогазовых систем в различных условиях проведения синтеза . Изучены закономерности структурных превращений и горения в зависимости от определяющих параметров. Получены формулы для расчета макроструктуры и скорости рас-
пространения фронта. Обнаружена двухэтапность формирования макроструктуры продукта в волне горения систем с легкоплавким компонентом. Определены причины и условия возникновения трещин и вычислено расстояние между ними (толщина «лепешек»). 4.Изучены особенности синтеза материалов в проточных реакторах. Найдены условия получения однородных по длине заготовок заданной структуры, не имеющих макроскопических дефектов. 5. На основе механики многофазных сред и механики вязкой сжимаемой жидкости построены и исследованы модели синтеза материалов под нагрузкой для твердо- и жидкофазно-го взаимодействия. Определены оптимальные схемы процесса и условия для получения высокоплотных материалов, в том числе композиционных. 6.Для случая твердофазного взаимодействия металла с газом построена и исследована модель горения, рассматривающая микродинамику спекания частиц. Найдены режимы структурных торможений и активации. Проведено моделирование волн горения в диффузионном приближении и проанализировано влияние структурных факторов на кинетику взаимодействия . Предложен комплексный подход к моделированию волн горения в гетерогенных системах, включающий одновременное рассмотрение структурных и диффузионно-кинетических факторов. 7.Проведено сравнение и получено удовлетворительное соответствие полученных результатов с основными известными теоретическими и экспериментальными данными.
Практическая значимость работы состоит в том, что развиваемое направление и полученные результаты дают новые, более глубокие представления о физико - химической природе формирования макроструктуры продукта и взаимосвязи этого процесса с волной горения. Результаты работы могут быть использованы для анализа экспериментальных результатов, прогнозирования формирования макроструктуры и оценки ее характеристик, а также для управления структурообразо-ванием и оптимизации параметров технологических процессов .
Совокупность исследований и результатов создает основу нового научного направления в структурной макрокинетике, которое можно определить как теорию макроструктурных превращений при горении гетерогенных систем с конденсированными продуктами.
На основании комплекса аналитических и численных исследований автор защищает:
1.Математические модели формирования макроскопической структуры продуктов в волне горения гетерогенных сие-
тем, учитывающие взаимосвязанное влияние параметров фронта горения и структурных факторов. 2.Результаты аналитического и численного исследований квазистационарных процессов горения и структурообразо-вания различных классов систем. Установление этапности структурных превращений в волне горения систем с легкоплавким компонентом. 3.Найденные режимы торможения и активации скорости горения, вызванные изменением макроструктуры. Анализ особенностей формирования структуры в зависимости от исходных параметров для различных типов реагирующих систем. 4.Определение причин и условий возникновения трещин и вычисление расстояния между ними. Оценки параметров проведения синтеза для получения продуктов, не содержащих макроскопических дефектов. 5.Исследования синтеза материалов в пресс - формах под действием постоянной нагрузки с использованием гомогенной и гетерогенной моделей. Определение условий получения высокоплотных продуктов. 6.Анализ влияния диффузионных процессов на распространение волны горения и формирование структуры продукта. 7.Полученные формулы и выявленные закономерности формирования макроструктуры в волне синтеза. Сопоставление теоретических оценок с экспериментом. Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на III (Кировакан, 1979г.), VI (Черноголовка, 1988г.) Всесоюзных школах-семинарах «Теория и практика СВС - процессов», III Всесоюзной конференции по технологическому горению (Черноголовка, 1981г.), VI Всесоюзной конференции «Методы промышленного получения, свойства и области применения тугоплавких карбидов, сплавов и композиций на их основе» (Волжский, 1982г.), V Школе-семинаре по вопросам воспламенения и горения дисперсных систем (Одесса, 1989г.), Всесоюзном семинаре по структурной макрокинетике (Одесса, 1986г.), I Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984г.), Всесоюзной школе-конференции « Математические вопросы в химической кинетике и теории горения » (Кызыл, 1989г.) , VII Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1983г.), I Международном симпозиуме « Самораспространяющийся высокотемпературный синтез » (Алма-Ата, 1991г.), на семинарах НИИ прикладной математики и механики при ТГУ (Томск), Института прочности и материаловедения СО РАН, Институте проблем освоения Севера СО РАН, Томского филиала Института структурной макрокинетики РАН.
Основные результаты диссертации опубликованы в 29 работах, список которых помещен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем 255 страниц, включая 181 страницу текста, 63 рисунка, 5 таблиц и 227 библиографических наименований.
