Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор
1.1. Введение к главе I 6
1.2. Историческая справка по экспериментальным и теоретическим исследованиям волн горения до открытия СВС 7
1.3. Основные представления о СВС 10
1.4. Основы классической теории СВС 14
1.5. Некоторые современные подходы к теории СВС 20
1.6. Обзор научных работ в области СВС, изучавших влияние наличия газовой и жидкой фаз на закономерности горения 22
1.7. Конвективно-кондуктивная теория горения (ККТГ) гетерогенных конденсированных сред 34
1.8. Цели и задачи исследования 53
Глава II. Экспериментальная установка и методики исследований
2.1. Введение к главе II 54
2.2. Конструкция экспериментальной установки 55
2.3. Схема экспериментальной установки и методики измерений 60
2.4. Методики, использованные для определения характеристик исходных веществ и продуктов горения 68
Глава III. Закономерности горения безгазовых систем ti+c и ni+al в спутном потоке инертного газа
3.1. Введение к главе III 77
3.2. Изучение горения системы «металл - неметалл» Ti+C 78
3.3. Оценка дополнительного разогрева горящей смеси за счет потока газа 84
3.4. Изучение горения системы «металл - металл» Ni+Al 87
3.5. Заключение к главе III 92
Глава IV. Закономерности горения безгазовых систем zr+al и ti+si в спутном потоке инертного газа .
4.1. Введение к главе IV 93
4.2. Изучение горения системы «металл - металл» Zr+Al 95
4.3. Изучение горения системы «металл - неметалл» Ti+Si 101
4.4. Заключение к главе IV 106
Глава V. Закономерности горения безгазовых систем fe203+al и сг203+а1 в спутном потоке инертного газа .
5.1. Введение к главе V 109
5.2. Изучение горения оксидной системы Сг203+А1 110
5.3. Изучение горения оксидной системы РегОз+А1 116
5.4. Объяснение формы сигнала датчиков расхода и давления в процессе горения образцов в спутном потоке инертного газа 124
5.4. Заключение к главе V 129
Заключение 130
Выводы 133
Литература 134
- Историческая справка по экспериментальным и теоретическим исследованиям волн горения до открытия СВС
- Конструкция экспериментальной установки
- Оценка дополнительного разогрева горящей смеси за счет потока газа
- Изучение горения системы «металл - неметалл» Ti+Si
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), открытый в 1967 г. академиком А.Г.Мержановым, И.П.Боровинской и В.М.Шкиро, является перспективным методом получения тугоплавких неорганических материалов (карбиды, бориды, силициды, алюминиды и др.).
Для эффективного управления режимами СВС и, соответственно, характеристиками получаемых продуктов необходимо правильное представление об основных физико-химических процессах, определяющих распространение волны горения.
Для описания процесса распространения СВС А.Г.Мержановым,
Б.И.Хайкиным и А.П.Алдушиным были адаптированы классические
подходы, сформулированные в 30-40-х гг. прошлого столетия
Н.Н.Семеновым, Я.Б.Зельдовичем, Д.А.Франк-Каменецким. Созданная ими
теория считает основными физико-химическими процессами,
определяющими скорость распространения фронта горения
теплопроводность исходной смеси и диффузию реагентов через слой продукта.
В 2000 - 2004 гг. Сеплярским Б.С. с соавторами была сформулирована конвективно-кондуктивная теория горения (ККТГ), заключающаяся в предположении, что в некоторых СВС-системах теплоперенос, определяющий скорость распространения фронта горения, осуществляется не столько теплопроводностью, излучением, а движущимся вместе с фронтом расплавом. Движение расплава, происходит под действием сил поверхностного натяжения, причем расплав втягивается в еще не горящий слой, в направлении распространения горения. В соответствии с ККТГ скорость волны горения равна скорости движения расплава. На движение жидкой фазы также влияет выделение примесных газов вблизи фронта горения. Диссертационная работа заключается в проведении экспериментальных исследований закономерностей горения нескольких типичных СВС-систем в специальных условиях, выбор которых был сделан на основании представлений конвективно-кондуктивной теории горения.
Цель работы и задачи исследования заключались в том, чтобы: - экспериментально установить механизм распространения фронта горения (кондуктивный или «конвективно-кондуктивный») для несколько типичных «безгазовых» систем разных классов: двух систем «металл-неметалл» Ti+C, Ti+Si двух систем «металл-металл» Ni+Al, Zr+Al, и двух оксидных систем Сг20з+А1, БегОз+АІ;
разработать экспериментальную установку для исследования закономерностей горения в условиях продува газами, создать методические основы для классификации механизмов горения; изучить влияние предварительной термовакуумной обработки и сушки исходной шихты, а также газифицирующих добавок на процесс горения.
Научная новизна работы заключается в развитии теории распространения волн горения в гетерогенных системах, в нахождении новых способов управления СВС-процессами, в разработке новых методов экспериментального изучения закономерностей горения «безгазовых» составов.
Основным способом воздействия на процесс горения являлось создание искусственного перепада давлений вдоль засыпки и соответствующего потока инертного газа (аргона). Новизна методики заключалась в том, что перепад давлений инертного газа создавался с помощью подключения вакуумного насоса.
Практическая ценность работы.
Найдены новые управляющие параметры, влияющие на процесс СВС и характеристики получаемых целевых продуктов.
Создан измерительный комплекс для изучения горения с одновременной видеосъемкой и фиксацией показаний термопар и динамических характеристик газового потока, позволяющий различать механизм горения гетерогенных смесей: кондуктивный или конвективно-кон ду ктивный.
Проведенные исследования показали, что для оптимизации процессов получения тугоплавких неорганических материалов в режиме технологического горения необходимо установить, горит ли данный состав по кондуктивному или кондуктивно-конвективному механизму и в соответствии с этим выбирать способы управления СВС процессом.
Значительную практическую ценность имеет тот факт, что проведенные исследования выполнены на образцах насыпной плотности, так как именно такие условия обычно используются при опытно-промышленном производстве порошков тугоплавких соединений.
Основные результаты, представляемые к защите:
Созданы методические основы для классификации механизмов горения гетерогенных систем;
Получены доказательства кондуктивно-конвективного механизма горения для типичных СВС систем: «металл-неметалл» Ti+C, Ti+Si, «металл-металл» Al+Ni, Zr+Al, оксидных систем Сг203+А1, Fe203+Al.
С позиций ККТГ даны качественные объяснения влияния основных определяющих параметров: величины потока инертного газа, газопроницаемости исходной шихты, газифицирующих добавок, предварительной термовакуумной обработки (ТВО), предварительной сушки исходной шихты на закономерности горения гетерогенных конденсированных систем.
С позиций ККТГ предложено универсальное объяснение сильного влияния влажности исходной шихты на процесс горения, состоящее в том, что адсорбированную воду можно рассматривать как газифицирующую добавку.
Апробация работы.
Диссертационная работа и отдельные ее части обсуждались на Первой конференции по фильтрационному горению. Черноголовка, 2007; European Combustion Meeting, Chania, Crete, Greece, 2007; IX International Symposium on Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS-2007). Dijon, France; IV International Symposium on Combustion and Plasma Chemistry, Almaty, Kazakhstan, 2007; XIV Симпозиуме по Горению и Взрыву, Черноголовка, 2008; VI Минском международном форуме по тепло- и массообмену, 2008; Международной конференции «Химическая и радиационная физика (Мемориал О.И. Лейпунского), 2009 г. и др.
Публикации.
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях, среди которых 4 в журналах из перечня ВАК, и тезисах 26 докладов, из которых 14 устные и 12 стендовые.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 143 страницах текста, включает 52 рисунка и 10 таблиц. Список литературы содержит 127 наименований.
Историческая справка по экспериментальным и теоретическим исследованиям волн горения до открытия СВС
Начало систематического изучения распространения волн горения в химически реагирующих средах связано с интенсивным развитием промышленности и военного дела в конце XIX века. Одной из первых теоретических работ, где устанавливаются аналитические зависимости для скорости фронта горения, является диссертация В. А. Михельсона [1] (1890 г.), посвященной горению газовых составов. В общем случае, для определения режима горения необходимо решать систему уравнений, включающей в себя как уравнения химической кинетики, так и уравнений газодинамики (уравнений движения газовой смеси). Однако, в случае узкой зоны горения, когда можно пренебречь ее толщиной и рассматривать ее просто как поверхность, разделяющую продукты горения и несгоревший газ, газодинамическая задача может быть отделена от задачи химической кинетики. Величина скорости распространения горения зависит от интенсивности теплопередачи из зоны горения в ненагретую исходную газовую смесь, причем согласно В. А. Михельсону основной механизм теплопередачи состоит в обычной теплопроводности. Было показано, что горение газовой смеси сопровождается также движением газа и установлен закон, касающийся зависимости скорости движения фронта воспламенения от состава горючей газовой смеси. Дальнейшее развитие теории распространения волн происходит вместе со становлением представлений химической кинетики. При описании процессов горения в некоторых теориях [2,3] использовалось неверное представление о существовании некоторой фиксированной температуры воспламенения, ниже которой реакция не идет. Классические представления науки о горении связаны с трудами Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдовича, Д. А. Франк-Каменецкого [4-12] и других исследователей, выполненных в 30-40-х годах прошлого века.
Они имеют исключительное значение для понимания механизма распространения волн горения и основаны на совместном рассмотрении процессов тепломассопереноса и химической кинетики, с учетом непрерывной экспоненциальной зависимости скорости реакции от температуры. Удивительно, что результат, полученный для простейшего случая горения газа с использованием оригинальных приближенных методов расчета, оказался, применим для описания горения различных систем: конденсированных, гомогенных, гетерогенных, при турбулизации во фронте. Скорость распространения горения U оказывается в «аррениусовской» зависимости от температуры горения Т: где Е - энергия активации; R - газовая постоянная; Т- температура. В дальнейшем, в работах А. Ф. Беляева, К. К. Андреева, П. Ф. Похила [13-16] и других была проведена классификация различных конденсированных систем (взрывчатых веществ (ВВ), порохов, ракетных топлив и т.д.). На основании особенностей их горения вещества разделены на две группы «неплавящиеся» (летучие) и «плавящиеся». У веществ первой группы, не плавящихся при горении, таких как пироксилин, перхлорат аммония и др. массовая скорость горения падает с увеличением плотности. Исследования Беляева показали, что реакция, ответственная за горение вторичных ВВ происходит в газовой фазе аналогично горению гомогенных газовых систем и возможно распространить теорию Зельдовича-Франк-Каменецкого для описания горения конденсированных веществ [17]. Отличительной особенностью второй группы веществ, таких как вторичные ВВ (гексоген, тетрил), нитроглицериновый порох, термитные составы и др., является способность плавиться или сжижаться в процессе горения. Для «плавящихся» веществ характерно увеличение массовой скорости горения с ростом плотности образца.
Также отмечается существенное тепловыделение в конденсированной фазе и существование жидко-вязкого слоя, который вспенивается пузырьками газа [18]. Для термитного состава Ре2Оз+2А1 и, особенно в «безгазовой» смеси Ре2Оз+2А1+30%А12Оз считается, что скорость горения определяется химическими реакциями в расплаве [19]. В целом, на этом этапе изучения горения различных веществ выявлена важная роль таких физико-химических процессов как плавление, испарение, диспергирование, сублимация, проникновение продуктов в поры и др.
Конструкция экспериментальной установки
Согласно ККТГ, принудительная фильтрация газа через образец в процессе горения может влиять на движение расплава во фронте, и тем самым на скорость распространения горения. В уже упоминавшейся работе [89], наблюдалось увеличение скорости горения в высокоплотных образцах смеси Ti+C при создании за фронтом процесса значительных (до 30 атм) давлений инертного газа. Что будет, если изучать горение образцов с высокими значениями газопроницаемости (смесей насыпной плотности или гранулированных). Тогда, даже для небольших перепадов давления ( 1 атм), в проницаемых системах, можно было бы ожидать результатов, в чем-то аналогичных полученным в работе [89], причем на более простом лабораторном оборудовании. Фотография основного узла экспериментальной установки приведена на рис.19. Перепад давлений, обеспечивающий поток газа через образец во время горения, создается не за счет повышения давления за фронтом горения как в работе [89], а понижением давления перед фронтом путем использования форвакуумного насоса. Исследуемая смесь засыпается в вертикально установленный прозрачный кварцевый стаканчик (пробирку), в нижней части которого припаяна трубка меньшего диаметра, к которой подключается форвакуумный насос, при этом верхняя часть пробирки находится при атмосферном давлении. Дополнительная актуальность таких экспериментов заключается в том, что подавляющее большинство исследований, посвященных изучению закономерностей горения СВС-смесей, выполнено на прессованных образцах в бомбе постоянного давления, хотя при опытно - промышленном получении данных соединений в режиме горения обычно используют смеси насыпной плотности [112]. Для смесей насыпной плотности схему ККТГ (рис.13) следует уточнить с учетом высокой проницаемости образцов - рис. 20. В соответствии с [63] скорость проникновения расплава в исходную шихту т подчиняется закону фильтрации Дарси, т.е. где fm - коэффициент фильтрации расплава, - толщина слоя расплава, а f ь разность давлений перед- - иза- ъ слоем расплава.
В общем случае для математического описания конвективно-кондуктивной модели следует решить задачу двухфазной неизотермической фильтрации при наличии экзотермических химических реакций.. Перепад давления ч в области проникновения расплава в исходную шихту состоит из двух составляющих: капиллярного давления s, вызванного силами поверхностного натяжения, и разности давления примесных газов перед - - и за - bg слоем расплава, Следовательно, (2.2) Как видно из (2.1) и (2.2), на скорость проникновения расплава в Pf исходную шихту можно влиять как изменением давления газа перед, «, так и за слоем расплава, bg . В работе [89] управление процессом горения р осуществлялось за счет увеличения давления газа за слоем расплава, bg. В данной работе реализован другой случай, когда управление процессом Р/о горения осуществляется за счет уменьшения давления Jt , что также образцов с высокой пористостью, при горении которых не возникает сплошного слоя расплава в зоне горения. Скорость горения равна средней скорости движения расплава, определяемой перепадом давлений примесных газов за и перед зоной расплава и капиллярными силами, втягивающими расплав в исходную шихту. должно приводить к увеличению скорости горения. Согласно ККТГ, не учитываемыми ранее (с точки зрения «классической» и других теорий) особенностями волны горения являются капиллярные силы, которые действуют таким образом, что расплав сильнее втягивается в еще не горящий слой, чем в сторону конденсированных продуктов, в то время как газ вблизи зоны реакции способен существенно влиять на скорость движения расплава и, тем самым, на скорость распространения фронта горения. В зависимости от интенсивности и локализации газовыделения относительно расплава (зоны горения) возможно как ускорение, так и замедление процесса В зависимости от интенсивности и локализации газовыделения относительно расплава (зоны горения) возможно как ускорение, так и замедление процесса. Таким образом, продув в процессе горения проницаемых для газа смесей порошков может стать эффективным управляющим параметром в СВС. В дальнейшем будет приведен расчет, показывающий, что формулам «классической» теории дополнительное повышение температуры горения, связанное со спутным потоком газа, не превышает нескольких градусов и, таким образом, не может приводить к заметному изменению скорости горения. В процессе работы схема установки и методики экспериментов постепенно оптимизировались. Так в первом варианте экспериментальной установки, горение снималось на видеокассеты, расход газа и давление фиксировались при помощи стрелочного манометра и поплавкого ротаметра.
Оригинальность первого варианта методики заключалась в одновременном поджиге двух образцов: к одному присоединялся форвакуумный насос, горение другого осуществлялось без продува. Это позволило с первых опытов наглядно видеть, что продув образца в процессе горения способен заметно (в сравнении с образцом без продува) увеличивать скорость горения. В дальнейшем менялась оснастка и методы измерения параметров горения (цифровая запись видео и показаний датчиков давления и расхода), в одном опыте поджигался только один образец. В дальнейшем описывается последний вариант экспериментальной установки, принципиальная, схема которого представлена на рис.21. Реакционная камера заполняется газом (аргоном, азотом). За счет отверстия в стенке и подобранного фиксированного потока газа из баллона, обеспечивающего истечение газа из этого отверстия в атмосферу, внутри оболочки газ не перемешивается с воздухом, а давление практически равно атмосферному как до, так и в процессе горения. Исследуемый состав помещали в специальную пробирку на проницаемый фильтр, состоящий из огнеупорной ваты и металлической сетки для предотвращения попадания порошка в вакуумную систему. Поджиг осуществляли сверху вольфрамовой спиралью, раскаленной электрическим током. В эксперименте осуществляли запись процесса горения, также непрерывно фиксируются показания датчиков расхода газа, давления и термопар.
Оценка дополнительного разогрева горящей смеси за счет потока газа
Следует отметить, что при продуве горящего образца инертным газом, кроме увеличения скорости горения, объясняемого в рамках ККТГ (за счет увеличения скорости движения расплава по формулам (2.1, 2.2)), скорость горения может увеличиваться также за счет нагревания исходной смеси газовым потоком, проходящим через зону горения, и соответствующего увеличения скорости химических реакций. Ниже приведены оценки того, что температура горения практически не меняется при увеличении расхода газа. В соответствии с [120] скорость фронта конвективного охлаждения конденсированных продуктов реакции ucooi потоком втекающего газа равна: где с теплоемкость втекающего газа, Cs теплоемкость конденсированных продуктов реакции. Для смеси Ті+C: с« = 900Дж/(кгК). CgAr = 521 Дж/(кг К). Psmc = 1 103 кг / л 3. С?0 = 2,5 10-2 кг/(м2с) Подставляя численные значения всех входящих в формулу (3.1) величин, получим Следовательно, скорость фронта охлаждения конденсированных продуктов реакции потоком втекающего газа примерно на три порядка меньше скорости фронта горения с (см. данные, приведенные в табл. 3.1). Из-за такой большой разницы с и сиЫ конвективный перенос тепла Т фильтрующимся газом практически не изменяет температуру горения с исследуемой системы. Продемонстрируем это непосредственным расчетом с с помощью формул, известных из теории фильтрационного горения [120]. где " тепловой эффект реакции, " начальная температура смеси. В соответствии с (3.3) прирост температуры пропорционален ucooi/uc и в условиях нашего эксперимента составляет всего несколько градусов. Если учесть, что эти расчеты были проведены для расхода газа близкого к максимальному (в условиях наших экспериментов), то можно сделать вывод о том, что повышение температуры не является причиной такого значительного повышения скорости горения. Т.к. температура горения практически не меняется при увеличении расхода газа, то зависимость скорости горения от удельного массового расхода газа можно представить в следующем виде [92]: где с0 "скорость горения исходной смеси без продува газом 0=0 cso "теплоемкость исходной шихты. Таким образом, в соответствии с (3.4), прирост скорости горения в условиях наших экспериментов не должен превышать 0,01 мм/сек, что совершенно не соответствует экспериментальным данным по зависимостям скорости горения от расхода газа, приведенным в таблице 3.1.
Следовательно увеличение скорости горения, наблюдаемое в экспериментах со смесями на основе порошков Ti+C, не является следствием конвективного переноса тепла фильтрующимся газом. Аналогичные расчеты проводились и для других исследованных порошковых смесей - результат примерно один и тот же (увеличение на сотые мм/сек), так как значения газовых потоков, плотностей, удельных теплоємкостей и т.д. в условиях измерений достаточно близки. Следующая исследованная система, также одна из наиболее изученных систем, смесь порошков интерметаллов Ni+Al[117,118]. Использовались смеси на основе порошков Ni (ПНЭ-1, чистота 99%, размер частиц 50 мкм) и А1 (АСД-4, чистота 98%, размер частиц 15 мкм). Порошки взвешивались на электронных весах и тщательно перемешивались в фарфоровой ступке методом сухого смешения. Использовались два варианта весовых пропорций: смесь из 61,5% Ni и 38,5% А1, рассчитанная на получение соединения NiAl, т.н. «стехиометрия NiAl», и смесь с 78% Ni и 22% А1, рассчитанная на получение соединения Ni5A13. На рис. 34 приведены фотография горения и результаты обработки видео для конкретного эксперимента. Для облегчения воспламенения исходной шихты на ее поверхность насыпался слой порошка Ti+C массой 0,2 г. Воспламенение этого слоя осуществлялось тепловым импульсом от вольфрамовой спирали. Перед каждым опытом проводилась продувка засыпки потоком газа при максимально возможном перепаде давлений. Обычно, после такой продувки исходная высота засыпки уменьшалась на 10-20 процентов. Наибольший расход, которого нам удавалось добиться для смеси порошков Ni+Al при навеске 6 г (высота засыпки после поджатия вакуумом 18 мм) равнялся 60 л/час. Изменение скорости горения для всех используемых смесей происходило следующим образом. Скорость горения монотонно увеличивалась при увеличении величины начального потока аргона от 0 до 30 л/час. Максимальная скорость фронта горения устанавливалась при потоке аргона порядка 30 л/час, дальнейшее увеличение потока газа не приводило к росту скорости горения. Графики зависимости скорости горения с от величины потока газа показаны на рис. 35. Как следует из данных таблицы, предварительная ТВО исходных порошков не только увеличивает скорость горения cU, но и уменьшает влияние созданного вакуумным насосом перепада давлений вдоль засыпки на увеличение скорости горения.
Согласно ККТГ, это связано с количеством примесных газов перед зоной горения. Фотографии продольных разрезов конденсированных продуктов горения представлены на рис. 36. Внизу образца, полученного при включенном форвакуумном насосе видна область, в которой поры в которой заполнены расплавом. На рис. 37 анализ фазового состава продуктов горения. Пробы для анализа брались как в середине, так и в нижней части образца (в зоне расплавленных продуктов для опытов с продувом). Для смесей Al(31,5 %)+Ni(68,5%) состав продуктов однофазный - это соединение NiAl. Для смесей с избытком Ni (Al(22%)+Ni(78%)) наряду с фазой NiAl присутствует фаза Ni3Al. Фазовый состав продуктов синтеза определялся только исходным соотношением компонентов в смеси и не зависел как от места, где взята проба и так и от наличия или отсутствия предварительной дегазации исходных порошков.
Изучение горения системы «металл - неметалл» Ti+Si
Рассматривались смеси на основе порошков Ті и Si. Титан ПТК, фракция 7Н80 мкм, содержание водорода 0,1%, содержание кислорода 0,39%. Кремний полупроводниковый, размер частиц менее 10 мкм, удельная поверхность частиц Буд=6м /г. Кремний полупроводниковый, размер частиц менее 10 мкм, удельная поверхность частиц. Порошки взвешивались на электронных весах Acom Jw-І и тщательно перемешивались в фарфоровой ступке методом сухого смешения. Исследуемые смеси засыпались в вертикально установленный кварцевый стаканчик с трубкой в донышке, на подложку из минеральной ваты и стальной сетки и поджимались при помощи форвакуумного насоса. Смесь титана с кремнием 5Ti+3Si насыпной плотности pCMecii(5Ti+3Si) l,2 г/см поджималась при вакуумировании до 1,5 г/см3 (усадка 20%), пористость n(5Ti+3Si)=0,59. Смесь титана с кремнием Ti+Si поджималась при вакуумировании до рСМеси (Ti+Si) = 1,27 г/см , пористость n(Ti+Si)=0,62.Оказалось, что рассматриваемые смеси обладают достаточно низкой газопроницаемостью к 0,2 дарси. Максимальный поток газа при длине образца L 4 см составляет Q-20 л/ч. Исследовалось горение смесей 5Ti+3Si и Ti+Si в атмосфере аргона высокой очистки (рис.38) в установке рис.22. Смесь Ti+2Si в условиях проведения экспериментов не горела. Согласно методике (глава II) сравнивалось горение при непрерывной откачке газа и без вакуумирования. Максимальный поток газа 20 л/ч при максимально достижимом разряжении 0,04 атм. Воспламенение осуществлялось вольфрамовой спиралью. Для того чтобы избежать усадки шихты в процессе горения за счет потока газа и получения стабильных результатов, перед каждым опытом проводилась продувка засыпки потоком газа при максимально возможном перепаде давлений (полностью открыт кран (16) на рис.22).
Максимальные температуры, измеряемые с помощью вольфрам-рениевых термопар, оказалась ниже расчетных: для смеси 5Ti+3Si измеренная температура горения 2150±50К (при расчетной адиабатической температуре горения - 2400К), для смеси Ti+Si измеренная температура 1650±500К (расчетная - 1850К). Оказалось, что скорость горения смесей порошков Ті и Si в рассматриваемых условиях (рис.22) практически не зависит от того, был ли включен или выключен форвакуумный насос и соответственно от положения крана 16. Таким образом, горение системы Ті и Si в этом смысле отличается от горения смесей Ni+Al и Ті+С, в которых скорость горения увеличивается при продуве аргоном в 1,5-2 раза. Для подтверждения гипотезы о том, что смеси порошков Ті и Si горят в соответствии с ККТГ (конвективный перенос тепла осуществляется расплавом, движение которого существенно зависит от интенсивности и локализации газовыделения вблизи фронта процесса) были осуществлены специальные эксперименты с введением газифицирующейся добавки. В качестве газифицирующейся добавки использовался порошок буры (декагидрата тетрабората натрия). Оказалось, что добавка 1% буры по-разному влияет на скорость горения смесей 5Ti+3Si и Ti+Si и на изменение этой скорости при вакуумировании. Другим способом воздействия на исследуемые смеси являлась предварительная термовакуумная обработка (ТВО) исходных порошков с целью изменения характера примесного выделения при горении. Предварительная ТВО в описываемых экспериментах применялась только для смеси 5Ti+3Si. Порошки выдерживались при 650оС в течение 2 часов. Влияние предварительной ТВО на горение смеси 5Ti+3Si при наличии продольного перепада давлений вдоль засыпки вакуумировании и без также оказалось нетривиальным. Все результаты вышеописанных экспериментов по измерению скоростей горения смесей 5Ti+3Si и Ti+Si сведены в таблицу 4.4.
Попытаемся объяснить эти данные с точки зрения ККТГ. Слабая зависимость скорости горения смесей 5Ti+3Si и Ti+Si от интенсивности потока Аг вызвана отсутствием существенного примесного газовыделения вблизи фронта расплава, что связано с низким содержанием газовых примесей в кремнии. Газифицирующаяся добавка даже без продува приводит к существенному увеличению скоростей горения смесей, что свидетельствует о том, что дополнительное газовыделение происходит в основном за фронтом р — р горения, что увеличивает разность bg - (см. формулы (2.1), (2.2) (глава II)) и приводит к ускорению процесса. Р Р буры изменяет давление газа как перед, -&, так и за слоем расплава, bs. Количество газа, выделяющегося перед и за фронтом горения, зависит от времени нахождения буры в зоне прогрева, которое обратно пропорционально квадрату скорости горения. При вакуумировании, в относительно «медленногорящей» смеси Ti+Si давление перед фронтом Р Р горения, &, уменьшается сильнее, чем давление за фронтом, bs, из-за пониженной проницаемости слоя расплава, а в «быстрогорящей» смеси 5Ti+3Si газовыделение перед фронтом мало и скорость горения практически не изменяется. Предварительная ТВО также как и в случае с «малогазовыми» составами Zr+Al уменьшает скорость горения. Отметим, что эти эффекты сложно объяснить в рамках других моделей. Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что и смесях порошков Ті и Si волна горения распространяется в соответствии с конвективно-кондуктивном механизмом.
