Введение к работе
Аюуальность темы.
Безгазовыми системами называют такие системы, химические превращения в которых идут без участия газовой фазы. Впервые возможность безгазового горения обнаружена в 1950 г. А.Ф. Беляевым и ЛД Комковым при изучении горения термитных систем. Долгое время считалось, что безгазовое горение - это нечто экзотическое. Но в процессе развития экспериментальных методов был обнаружен широкий класс безгазовых систем, в которых наблюдались самоподдерживающиеся превращения, что стимулировало дальнейшие исследования.
Безгазовые системы могут служить удобной моделью для исследований реакций в твердой фазе. Кроме того, с ними связаны важные практические приложения, а именно синтез новых веществ в режиме горения.
В многочисленных публикациях, посвященных как теоретическому, так и экспериментальному исследованию безгазовых реакций, исследуются структурные изменения, растрескивание, усадка образцов или увеличение их объёма, плавление и капиллярное растекание, изменение пористости, выделение примесных газов и т.д. Эти и другие явления являются полноправными стадиями безгазовых химических реакций и оказывают влияние на их скорость.
Особую роль в макрокинетике химических реакций в твердой фазе играют механические процессы, которые в последние годы изучаются все более активно. Изучение взаимовлияния разных физических, механических и химических явлений позволяет выявить, по каким каналам возможно воздействовать на скорость химических превращений в условиях квазистатического механического нагружения, вибрации, трения, ударного воздействия.
Модели физико-химических превращений, учитывающие взаимодействие между явлениями тепловой и нетепловой природы, называются связанными. Они принципиально отличаются от традиционных моделей, где осуществляется оценка одних физических полей по известным полям другой физической природы. О необходимости совместного изучения прямых и обратных эффектов говорится, например, в работах Болдырева В.В., Болдыревой Е.В., Ляхова Н.З. и др.
С математической точки зрения, связанные модели отличаются от традиционно используемых наличием нелинейных слагаемых, приводящих при смене параметров моделей к смене типов уравнений и систем, и требуют специального математического исследования.
Имеющиеся к настоящему времени связанные модели физико-химических превращений, в том числе модели превращений в твердой фазе, имеют отношение либо к лабораторным ситуациям, либо к гипотетическим условиям распространения реакции в бесконечной среде. Отдельные работы, посвященные моделированию превращений (фазовых, химических, структурных) в конкретных системах (детонация азидов тяжелых металлов, низкотемпературные радикальные реакции и др.) не решают проблемы в целом. Поэтому исследование взаимодействия процессов разной природы остается актуальной задачей. Важность проблемы возрастает с развитием современных технологий нанесения покрытий, использующих синтез в твердой фазе непосредственно или продукт синтеза.
Цель работы состоит в теоретическом исследовании взаимовлияния тепловых, химических и механических процессов в технологических условиях объемного спекания и послойного синтеза для деформируемых безгазовых систем.
Для этого требуется решить следующие задачи:
-
Сформулировать математическую модель, на основе которой можно исследовать режимы превращения в деформируемых средах в различных технологических условиях: спекание в объеме и синтез покрытий на подложке в управляемом режиме (как в твердой, так и в жидкой фазе).
-
Проанализировать роль механических напряжений и объемных изменений, сопровождающих реакции в конденсированной фазе, в их макрокинетике для условий теплового взрыва и послойного распространения реакции.
-
Проанализировать условия существования самоподдерживающихся режимов превращения на основе связанной модели горения в вязкоупругой среде.
-
Исследовать устойчивость выявленных стационарных режимов превращения к малым возмущениям.
Научная новизна работы
В диссертационной работе впервые:
дано обобщение модели среды Максвелла на химически реагирующие среды с учетом взаимовлияния полей различной физической природы, сопровождающих безгазовые превращения;
сформулирована и исследована модель процесса объемного синтеза в условиях регулируемого нагрева без учета и с учетом объемных изменений;
показана принципиальная роль связанности разных процессов для состава покрытия и для величин напряжений и деформаций, сопровождающих процесс превращения экзотермической смеси на подложке в условиях управления сканирующим электронным лучом;
найдено и проанализировано для различных предельных случаев асимптотическое решение задачи о распространении стационарного фронта превращения в вязкоупругой среде;
исследована устойчивость стационарных режимов превращения и выявлены области существования устойчивых режимов.
Научная и практическая значимость работы
Работа имеет приложение к исследованию возможных режимов превращений в интерметаллидных системах, которые могут находиться как в жидком, так и в твердом состоянии; к проблемам синтеза новых материалов, нанесения покрытий, изучению способов управления реакциями в конденсированной фазе. Комплексные исследования, основные результаты которых представлены в диссертационной работе, проводились в рамках комплексного интеграционного проекта СО РАН № 91, проектов РФФИ 03-01-00074-а, 06-08-81006-Бел_а, 06-08-96919-р_офи, 08-08-90008-Бел_а, 10-08-00629-а, 10-08-90010-Бел_а.
Достоверность научных результатов и обоснованность выводов обеспечивается корректной постановкой решаемых в диссертационной работе задач; использованием современных физических представлений о процессах в деформируемых средах, аналитических и вычислительных методов и тщательным тестированием программ; непротиворечивостью полученных результатов и их
соответствием в предельных случаях теоретическим результатам, известным из литературы, а также имеющимся экспериментальным фактам.
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, написании и отладке программ, численном исследовании сформулированных частных задач, обсуждении полученных результатов, формулировании основных научных положений и выводов. Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при личном участии автора.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Обобщение Максвелловской модели вязкоупругой среды на химически реагирующие конденсированные среды.
-
Математическая модель процесса объемного синтеза в условиях регулируемого нагрева без учета и с учетом объемных изменений и результаты её исследования.
-
Математическая модель процесса синтеза экзотермической смеси на подложке в условиях управления сканирующим электронным лучом с учетом взаимовлияния тепловых и механических процессов и результаты её исследования.
-
Асимптотическое решение задачи о распространении стационарного фронта превращения в вязкоупругой среде и результаты его анализа в различных предельных случаях.
-
Результаты исследования устойчивости стационарных режимов превращения к малым возмущениям.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской конференции "Новые математические модели в механике сплошных сред: построение, и изучение" (Новосибирск, 2004), Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово, 2004, 2007), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2004, 2006), 1-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2005), Российской школе-конференции молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения» (Белгород, 2006), Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006), 15-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2006), XIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2007), III Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2007), The XVI Int. Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (PCCT 2007) (Суздаль, 2007), IX International Symposium on Self-Propagating High-temperature Synthesis (Франция, 2007), Международной молодёжной конференции «XXXIV Гагарине-кие чтения» (Москва, 2008), International Workshop "Nonequilibrium Processes in
Combustion and Plasma Based Technologies" (Minsk, 2008), Международной школе-семинаре "Многоуровневые подходы в физической мезомеханике" (Томск, 2008), IV Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения" (Томск, 2008), XXXVII Summer School-Conference Advanced Problems in Mechanics (АРМ) (Санкт Петербург 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ: 9 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК, 9 статей и тезисы 11 докладов в сборниках трудов международных и российских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, основных результатов и выводов, заключения и списка использованной литературы из 169 наименований, всего 145 страниц, включая 23 рисунка и 7 таблиц.
Похожие диссертации на Математическое моделирование режимов превращения в безгазовых системах с учетом механических процессов
