Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Тепловой взрыв в гетерогенных конденсированных системах. Способы теоретического и экспериментального исследовании закономерностей саморазогрсва и структурообразования в режиме теплового взрыва
1.1. Моделирование процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 10
1.2. Экспериментальные методы изучения макрокинетики саморазогрева в гетерогенных конденсированных системах 28
1.3. Особенности структурообразования бинарной порошковой смеси ТІ-А1 33
1.4. Особенности организации процессов синтеза в режиме теплового взрыва в гетерогенных конденсированных системах 38
ГЛАВА II. Экспериментальный комплекс для изучения динамики саморазогрсва и процессов структурообразования в системе Ti-AI
2.1. Технологическое оборудование для изучения процессов саморазогрева при реализации СВС в режиме теплового взрыва 41
2.2. Экспериментальные методы изучения продуктов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 48
2.3. Метод динамической дифрактометрии высокого пространственного и временного разрешения для изучения фазообразования в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 51
2.4. Выводы по главе II 55
ГЛАВА III. Математическая модель процессов структурообразования в бинарной порошковой смеси Ti-Al
3.1. Постановка задачи 57
3.2. Особенности тепловых режимов синтеза и процессов структурообразования в порошковой смеси состава Ti+ЗАІ 62
3.3. Особенности тепловых режимов синтеза и процессов структурообразования в порошковой смеси состава ТІ+А1 68
3.4. Выводы по главе III 75
ГЛАВА IV. Исследование процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в системе Ti-Al
4.1. Экспериментальное изучение динамики саморазогрева и процессов структурообразования при синтезе соединения стехиометрии ТіАІз 76
4.2. Экспериментальное изучение динамики саморазогрева и процессов структурообразования при синтезе соединения стехиометрии ТІАІ 86
4.3. Анализ процессов структурообразования в системе Ti-Al с использованием метода динамической дифрактометрии 96
4.4. Выводы по главе IV 102
Основные выводы и результаты работы 103
Литература 104
- Экспериментальные методы изучения макрокинетики саморазогрева в гетерогенных конденсированных системах
- Технологическое оборудование для изучения процессов саморазогрева при реализации СВС в режиме теплового взрыва
- Особенности тепловых режимов синтеза и процессов структурообразования в порошковой смеси состава ТІ+А1
- Экспериментальное изучение динамики саморазогрева и процессов структурообразования при синтезе соединения стехиометрии ТІАІ
Введение к работе
Процессом, обладающим значительным потенциалом с точки зрения получения новых композиционных материалов, которые могут послужить основой для решения многих проблем в различных отраслях машиностроения, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), открытый академиком А.Г. Мержановым и его научной школой в 1967г.
Большой вклад в развитие этого метода внесли школы профессоров Левашова Е.А., Максимова Ю.М., Амосова А.П., Юхвида В.И., Евстигнеева В.В.
Синтез материалов методом СВС относится к процессам твердофазного горения, и его можно проводить в двух режимах - послойное горение и тепловой взрыв. СВС в режиме теплового взрыва, хотя и требует несколько больших энергозатрат, но выгодно отличается от послойного горения, прежде всего возможностью управления тепловой активностью реагирующей шихты посредством изменения теплофизических условий синтеза, что особенно важно в процессе вторичного структурообразования. К управляющим факторам можно отнести мощность инициирующего теплового источника, время его действия, условия теплоотвода, и т.д. Кроме того, знание критических условий теплового взрыва позволяет разграничить режим изотермического спекания и собственно теплового взрыва. Таким образом появляется возможность управления фазовым составом конечного продукта, его полнотой превращения. Одной из основных целей технологий процессов СВС является, как правило, получение однофазного продукта. Необходимо заметить, что к настоящему времени этот вопрос малоизучен. Отсутствуют конкретные рекомендации по проведению режима синтеза в той или иной бинарной или многокомпонентной системе.
В последнее время большой интерес вызывают соединения на основе алюминидов титана. Указанные соединения обладают малым удельным весом, высокой жаростойкостью и могут составить серьезную конкуренцию соединениям на основе алюминидов никеля, поскольку не требуют дополнительной технологической обработки, следовательно, являются более дешевыми. В то же время, на сегодняшний день, отсутствует ясное понимание механизмов структурообразования в данной системе. Математической модели, позволяющей прогнозировать процессы синтеза в указанной системе, на сегодняшний день нет, также нерешенным является вопрос о способах управления процессами структурообразования в указанной системе. Для решения этой проблемы необходимы надежные методы диагностики, которые бы позволяли иметь представление о динамике развития процесса структурообразования. Одним из наиболее эффективных методов решения этой проблемы является метод синхротронного излучения, который на сегодняшний день не применялся для изучения процессов синтеза в режиме теплового взрыва.
Исходя из вышеизложенного:
Цель работы заключалась в разработке экспериментальных методов исследования динамики процессов структурообразования гетерогенной порошковой смеси ТІ-А1 при синтезе в режиме теплового взрыва, а также в применении метода синхротронного излучения для изучения формирования фазовых структур в условиях реализации СВС в виде теплового взрыва.
В процессе выполнения работы, решались следующие задачи: I. Разработка технологического реактора, для проведения исследований по изучению процессов СВ-синтеза в режиме теплового взрыва, с возможностью изменения условий теплоотвода и равномерного прогрева во всем реагирующем объеме.
Исследование динамики фазообразования в системе Ti+AI при синтезе в режиме теплового взрыва, с использованием метода динамической дифрактометрии высокого пространственного и временного разрешения.
Разработка математической модели процессов структурообразовапия в системах Ti+ЗАІ, Ti+AI.
4. Проведение исследований но изучению фазового состава продукта синтеза, проведенного в различных тепловых режимах. Сравнение экспериментальных данных с расчетными.
Научная новизна работы
1. Разработана методика изучения процессов структурообразовапия в системе Ti-Al, с применением технологического реактора, позволяющего изменять условия теплоотвода в любой момент времени и получать однородное распределение фаз по всему реагирующему объему.
2. Разработана экспериментальная методика для изучения динамики фазовых превращений при синтезе в режиме теплового взрыва в пучках синхротронного излучения.
Впервые произведена идентификация последовательности фазовых превращений в системе ТІ+А1 в режиме теплового взрыва, с использованием разработанного устройства и метода динамической дифрактометрии в пучках синхротронного излучения.
Разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать процессы фазообразования при тепловом взрыве в гетерогенной системе ТІЛІ, на основе диаграммы состояния системы Ті-АІ.
Выяснены механизмы процесса структурообразовапия, позволяющие получать продукт синтеза, требуемого состава и физико-химических свойств в порошковых системах Ti+ЗАІ, Ti+AI.
Практическая значимость работы - Разработанная методика, с применением технологического реактора, дает возможность получать продукты алюминидов титана заданного состава. - На основании адекватности математической модели и результатов экспериментальных исследований появляется возможность прогнозирования режимов проведения синтеза для получения монофазного продукта в системе Ti-Al.
Практическую значимость имеет разработанное и апробированное на системе Ti-Al экспериментальное устройство, адаптированное к методу динамической дифрактометрии в пучках синхротронного излучения, которое может быть применено для изучения динамики процессов фазообразования в режиме теплового взрыва в других системах. Основные защищаемые положения
1. Экспериментальная методика, позволяющая производить отключение источника разогрева реактора в любой момент времени и получать равномерное распределение температуры по всему реагирующему объему.
Экспериментальная методика исследования динамики фазообразования в процессе синтеза, при реализации теплового взрыва, адаптированная к методу синхротронного излучения,
Методика получения монофазного продукта синтеза в режиме теплового взрыва для порошковых систем Ті+ЗАІ, Ti+Al.
4. Прогнозная математическая модель динамики процессов разогрева и структурообразования для порошковой системы ТІ-АІ.
5. Механизмы структурообразования в системе Ti-Al при различных режимах синтеза с целью получения продукта с требуемым набором физико- химических свойств.
Сформулированные выше цели и задачи исследования определили структуру работы.
В первой главе рассмотрены различные способы реализации самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Проведен анализ основных результатов теоретических и экспериментальных исследований СВ-сиптеза как в режиме послойного горения, так и в режиме теплового взрыва. Показаны преимущества технологии СВС перед другими способами получения композиционных материалов.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день экспериментальные методики, дающие возможность управлять процессами структурообразования в режиме теплового взрыва, недостаточны разработаны. Механизмы структурообразования в системе Ti-Al не достаточно глубоко изучены, экспериментальных методик по изучению динамики структурообразования в режиме теплового взрыва с использованием синхротронного излучения не существует.
Исходя из поставленных проблем, в конце главы сформулированы цели и задачи настоящей работы.
Вторая глава посвящается описанию приборов и методов для проведения исследований по изучению динамики саморазогрева и процессов структурообразования в системе Ti-Al, одним из основных элементов исследовательского оборудования является СВС-реактор, Для выявления динамики фазообразования использовался метод дифрактометрии высокого пространственного и временного разрешения в пучках синхротронного излучения (СИ). Метод позволяет определять динамику изменения фазового состава в процессе химических превращений в гетерогенных конденсированных системах. Сипхротронпое излучение обладает непрерывным спектром, покрывающим практически весь рентгеновский диапазон.
Излучение обладает высокой интенсивностью, высоким пространственным и временным разрешением и позволяет анализировать быстропротекающие процессы фазообразования при синтезе композиционных материалов. В настоящем исследовании указанный метод был адаптирован к исследованию процессов синтеза апюминидов титана в режиме теплового взрыва.
В третьей главе проводится моделирование процессов структурообразования в системе Ті - А1 при саморазогреве в режиме теплового взрыва, и выяснение зависимости фазового состава конечного продукта от соотношения компонентов и теплофизических условий синтеза. Из анализа результатов расчета математической модели следует, что механизм структурообразования в системах ТІ+ЗА1 и Ti+Al различны. В ТіАІз при любом значении коэффициента теплоотдачи меньшего критического всегда синтезируется однофазный продукт указанной стехиометрии. В системе ТІА1 процесс образования однофазного продукта происходит медленнее по причине меньшего значения коэффициента диффузии алюминия. Все сказанное справедливо, в случае если, максимальные температуры синтеза не превосходят низшую температуру плавления в системеTi-Al -соединения ТЇА13 (1340 С).
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по изучению закономерностей теплового взрыва в системе Ті -А1, при различных теплофизических условиях синтеза, исследуются режимы проведения теплового взрыва, фазовый состав и структура, произведена проверка теоретической модели на адекватность.
Экспериментальные методы изучения макрокинетики саморазогрева в гетерогенных конденсированных системах
Анализ экспериментальных зависимостей позволил установить, что укрупнение частиц Nb уменьшает скорость горения, увеличивает зону реакции. Введение инертной добавки сохраняет одностадийиость, уменьшает скорость и температуру горения. В системе Nb + В реакция является двухстадийной по мнению авторов причиной двухстадийности может быть химическая стадийность; Nb + B- ]/2NbB2 + \/2Nb- NbB.
Для систем Zr + 2B, II/ + 2B, Та + 2В,с использованием вышеописанной методики установлено, что имеет место, логарифмический закон торможения, определены параметры кинетической функции. Для системы Тї + аВ приведенный метод нецелесообразен, т.к. плавление одного из реагентов происходит в зоне реакции.
Одним из способов определения температуры и скорости волны горения является метод высокоскоростной яркостной пирометрии, развитый в работах [68, 69]. Методика измерений основывается на оптическом двухканальном фотодатчике, в котором жестко закреплены на некотором расстоянии друг от друга два фотодиода. Для максимально полного исследования особенностей тепловой структуры фронта горения устройство снабжено программируемым таймером, позволяющим в широком диапазоне изменять скорость регистрации процесса, и рассматривать детали температурного профиля фронта горения, как на стадии роста температуры, так и при остывании. На рис. 1.11 представлены характерные термограммы волн горения в системе Ni - 25 мас. % А1 при различных начальных температурах [69]. Безинерционность фотодиодов позволяет во всех деталях проанализировать механизм структурообразования и сопоставить тепловую структуру волны СВС с равновесной диаграммой системы Ni - 25 мас. % А1 при различных начальных температурах [69] Безинерционность фотодиодов позволяет во всех деталях проанализировать механизм структурообразования и сопоставить тепловую структуру волны СВС с равновесной диаграммой системы. Как установлено, исходным этапом взаимодействия в указанной системе является плавление алюминия и его растекание под действием инициирующего теплового импульса по каналам капиллярно - пористой среды дисперсных компонентов. Одновременно с растеканием начинается растворение никеля в расплаве и насыщение им раствора вплоть до достижения температурно - концентрационной точки, соответствующей предельной растворимости никеля в алюминии (точки В, на графиках). За счет экзотермичности процесса растворения происходит повышение температуры раствора, что в свою очередь, приводит к увеличении растворимости никеля в алюминии. Совокупное действие обоих факторов приводит к «отслеживанию» процессом кривой предельной растворимости (кривые Л,С,на термограм мах). По насыщении расплава никелем в соответствии с равновесной диаграммой начинается процесс образования зародышей фазы Ni2Aii. Реализация этого процесса подтверждается близким соответствием температуры ступени С,- на температурных профилях и перитектической линии на диаграмме состояния. Достижение перитектической температуры сопровождается началом зарождения в растворе частиц фазы NiAl состава, соответствующего нижней границе области гомогенности, с чем можно связать локальное повышение температуры, наблюдаемое для всех значений Т0 (участок С, Дна термограммах). В соответствии с диаграммой состояния, переход через перитектическую температуру должен приводить к эндотермическому распаду выпавших ранее в расплаве зародышей фазы Ni1Ali по реакции №,Л/3 -»NiAl + Ж. Указанный процесс объясняет падение температуры, наблюдаемое для смесей, горевших с различными Т0 (участок ДЕ,). В дальнейшем процесс образования зародышей указанной фазы является доминирующим и определяет ход температурного профиля волны горения вплоть до достижения критической концентрации зародышей. Совокупность процессов в реакционной среде - рост зародышей, перекристаллизация зерен (У-фазы (NiAl) с выравниванием их состава, а также распад зародышей фазы Ni}Al приводит к колебаниям в течение некоторого промежутка времени температуры реакционной среды вблизи ее максимального значения (участок ЕД термограммы), после чего происходит падение температуры. Быстрое развитие технологий цифровой видеосъемки, позволило авторам [70, 71] разработать методику скоростной видеосъемки процессов горения конденсированных систем. Метод основывается на оцифровке видеоизображения по эталону температуры. В отличие от метода высокоскоростной яркостиой пирометрии в этом случае имеется возможность изучения температурных полей, формирующихся в процессе послойного горения или теплового взрыва. На рис. 1.12 представлены двух и трехмерные тепловые структуры волн горения, полученные с применением указанного метода [71].
Технологическое оборудование для изучения процессов саморазогрева при реализации СВС в режиме теплового взрыва
Традиционный способ реализации СВ-синтеза в режиме теплового взрыва связан с использованием выкуумных муфельных печей, которые осуществляют равномерный прогрев прессованного образца в атмосфере инертного газа, либо равномерный прогрев реакционного объема реактора [96-101]. Главным недостатком такого метода является отсутствие возможности быстрого изменения температуры окружающей среды в процессе саморазогрева реакционной смеси. Такая возможность может представлять интерес с точки зрения управления процессами фазообразования. Кроме того, очевидно, что уровень энергопотребления муфельных печей значительно выше, чем это требуется для воспламенения исследуемых в С ВС-технологиях образцов. В связи с этим возникает необходимость создания экономичных реакторов, которые бы давали возможность быстрого изменения условий энергообмена с окружающей средой.
Для исследования спроектирован и создан специализированный технологический реактор, который дает возможность однородного распределения температур в объеме реагирующей шихты, за счет дополнительного прогрева торцевой поверхности. Таким образом, система максимально приближена к условиям статического теплового взрыва [102,103]. Схема технологического реактора представлена на рис.2.1.
Реактор представляет собой стальной цилиндр с внутренним диаметром 38 мм, толщиной стенки 1 мм. Высота объема, занятого реагирующей шихтой составляет 50 мм. На боковую поверхность цилиндра наматывалась нихромовая спираль 2, через которую пропускается электрический ток. Спираль изолировалась от поверхности цилиндра слоем 3. Для прогрева торцевых поверхностей шихты были использованы специально разработанные нагревательные элементы 4, основу которых составлял слой асбеста, толщиной 5 мм, по его периметру просверлены отверстия, через которые пропущена нихромовая проволока. Все три нагревательные элемента соединялись последовательно. Для контроля температуры, в стенке реактора и внутри шихты 6 использовались хромель-ал юмелевые термопары 5. Для изоляции шихты от торцевых нагревателей и нагревателей от окружающей среды применялись асбестовые прокладки 8. В цепь входит выключатель 9. В соответствии со стандартной методикой [104] измерения температуры с помощью термопар был использован компенсационный спай 7. Блок 10 выполняет функцию защитного устройства, предохраняющего систему от короткого замыкания. Для сбора и обработки данных использовался ПК IBM с многоканальной платой аналого-цифрового преобразования ЛА 1,5РС1, к которой подключались термопары 5. Отображение, наблюдение, запись данных на компьютере производилось специализированной программой «Регистратор аналогового сигнала». На рис. 2.2, показан внешний вид главного окна программы для проведения измерения температуры. Все необходимые кнопки, для проведения измерений, расположены в правой верхней части окна. Кнопка - «Запуск измерения» запускает измерение. Кнопка «Синхронизируемый запуск измерения» - измерение начинается в случае изменения уровня сигнала на специализируемом входе платы АЦП, либо с логической 1 на ноль, либо наоборот, вход реагирует на изменение сигнала. При нажатии на эту кнопку «Пауза» - измерение приостанавливается, но файл, в котором сохранены предыдущие измерения, не закрывается и по нажатию кнопки «Запуск измерения» измерения продолжаются с последнего измерения. Наконец, кнопка «Стоп» после ее нажатия измерения прекращаются, и все данные сохраняются в открытый файл в двоичном формате. Там же расположены кнопки для открытия предыдущих измерений и просмотра их в рабочей части программы. Кнопка позволяет открыть и выбрать необходимый файл измерения, кнопки открывают измерение предыдущее или следующее относительно открытого, в той же папке что и отображаемое текущее. Кнопка настройки позволяет настраивать каждый канал в зависимости от необходимых измерений.
Особенности тепловых режимов синтеза и процессов структурообразования в порошковой смеси состава ТІ+А1
Созданный оригинальный программный продукт позволяет производить регистрацию электрических аналоговых сигналов, сохранять данные и обрабатывать их. Данный метод характеризуется высокой точностью определения температуры, с погрешностью At = ±1С.
Необходимо заметить, что несмотря на общепринятые представления о недостатках термопарной методики, связанных с инерционностью и возможностью искажения температурного профиля, указанный метод отличается простотой и высокой надежностью. Его применение может быть оправдано в случае, если скорость изменения температуры значительно меньше скорости тепловой релаксации термопары. Применительно к данной ситуации, возможность использования термопар является единственной для измерения температуры.
В настоящем исследовании использовались хромель-алюмелевые термопара, т. к. рабочий диапазон температур в эксперименте 660 - 1250 С, в котором термопара имеет линейные характеристики. Калибровка производилась по трем репсрным точкам: плавления льда, (О С) кипения воды (100 С) и плавления алюминия (660 С) при комнатной температуре (температуре свободных контактов) 0 С, Калибровочная характеристика термопары изображена на рис. 2.5.
Как указывалось в [105], при использовании термопарной методики возникает проблема, связанная с возможное отвода тепла от рабочего спая термопары вдоль термоэлектропроводов и как следствие возникновение погрешности измерения температуры.
Для решения первой проблемы, использовались проволоки диаметром 0.3 мм, при этом длина погруженной в шихту части термопары составляла 2,5 см. На основании экспериментальных данных принято считать [105], что влияние тсплоотвода вдоль термоэлектродов термопары становиться неощутимым, если длина незащищенных термоэлектродов внутри исследуемого объема превышает пятьдесят диаметров самих электродов, считая от рабочего спая, В условия эксперимента это ограничение, как показано выше, выполнено. Получение самого рабочего спая осуществлялось путем сварки электродов в растворе буры, в соответствии с рекомендациями, изложенными в [106], В результате получался спай, диаметром 0.5 мм (500 мкм). Такой размер спая является вполне удовлетворительным, т. к. он должен в несколько раз превосходить размер исследуемых частиц. Важно иметь в виду, что Г - образные микротермопары, прокатанные через вальцы [63 - 67], удобно использовать для измерения температуры при послойном режиме горения. При исследовании процессов теплового взрыва, такие термопары использовать не вполне удобно, поскольку их показания будут существенным образом зависеть от местоположения в шихте. В эксперименте использовались частицы титана размером 55-180 мкм, таким образом, термопара будет фиксировать некую усредненную температуру в точке своего нахождения.
Что касается проблемы, связанной с инерционностью термопары, при исследовании динамических процессов, в работе определялась постоянная времени на основе метода регулярного режима Г.М.Кондратьева естественно, прежде всего, определить постоянную времени термопары, чтобы иметь представление о возможности применения ее в данных условия разогрева. Для определения постоянной времени, использовалась стандартная методика регулярного режима, разработанная Кондратьевым Г. М. [107]. В соответствии с этим, спай термопары погружался в исследуемую порошковую среду, нагретую до определенной температуры. Определенная по переходным характеристикам постоянная времени составляла 0,7 с, что вполне допустимо (как будет видно в гл.IV) в условиях эксперимента.
Для определения фазового количественного и качественного состава материалов использовался метод рентгеноструктурной дифрактометрии [108-110]. Принцип метода основан на дифракции рентгеновских лучей от атомных плоскостей кристаллической решетки исследуемого образца. Рентгеновский пучок, с длиной волны к проходит через систему щелей Соллера, а также щелей, ограничивающих горизонтальную и вертикальную расходимость и, попадая на исследуемый образец, отражается от плоскости hkl, удовлетворяющей уравнению Вульфа-Брегга: nX=2dhkisin0, где d -межплоскостное расстояние, 0 - угол отражения дифракционного пучка, п -порядок отражения. В методе используется фокусировка по Бреггу-Брентано, которая основана на равенстве вписанных углов, опирающихся на одну и ту же дугу. Фокус рентгеновской трубки и регистрирующая щель детектора расположены на фокусирующей окружности гониометра, в центре которой находится плоский образец.
Регистрация дифракционной картины происходит при одновременном вращении детектора и образца вокруг оси гониометра (скорость движения образца в два раза меньше скорости счетчика).
Рентгсноструктурный анализ исходных смесей порошков и синтезированных продуктов проводился на дифрактометре рентгеновском общего назначения ДРОЫ-6 (рис.2.5). Для исследования применялась стандартная рентгеновская трубка с Си Ка-излучением, длина волпы /1=1,5418 А. Дифрактограммы снимались с шагом сканирования 0,05 градуса и временем экспозиции в каждой точке равным 3 секунды. Обработку и анализ экспериментальных данных осуществляли с помощью пакета программ PDWin, предназначенного для автоматизации процесса обработки рентгенограмм.
Для определения микроструктуры конечных продуктов применялся микроскопический метод исследования. Сущность метода заключается в измерении линейного размера зерен микроструктуры исследуемого образца, качественном анализе фазового состава продукта. Для этого приготовленные шлифы подвергались химическому травлению раствором плавиковой кислоты и дистиллированной воды при объемном соотношении I : 9. Время травления подбиралось в зависимости от исследуемого материала. По окончании травления образец очищался спиртом и просушивался с использованием фильтровальной бумаги.
Экспериментальное изучение динамики саморазогрева и процессов структурообразования при синтезе соединения стехиометрии ТІАІ
Численный расчет системы (3.2) - (3.6) проводился с использованием неявного конечно-разностного метода. На каждом шаге по времени проводились итерации по нелинейности до тех пор, пока максимальное изменение границы фаз между итерациями не превышало \0 7RL,. Кроме того, шаг по времени определялся с помощью эмпирической процедуры.
Одной из основных задач теории теплового взрыва является определение критических условий воспламенения реагирующей системы. При рассмотрении систем с однородным распределением температуры, используется уравнение теплового баланса. Однако сам факт пренебрежения распределением температуры в реагирующей среде, требует достаточно серьезного обоснования. Математически это выражается в малости критерия Био: Bi = ccRjl «1 [133], где а - коэффициент теплоотдачи, R - размер системы, Я-теплопроводность системы. Для определения значения критерия Био, необходимо знать значение эффективного коэффициента теплоотдачи, определение которого является весьма непростой задачей, особенно для реагирующих систем в процессе химического взаимодействия. Позже, в главе IV, будет экспериментально доказано отсутствие распределения температуры по реакционному объему на протяжении процесса разогрева и остывания реагирующей системы.
При температурах шихты меньших температуры Г0, стенка нагревает шихту, которая разогревается в квазиинертном режиме. При температурах стенки больших Тй, стенка охлаждает шихту. За начальную температуру в модели следует принять температуру стенки, которая выше температуры плавления алюминия.
Несмотря на то, что система является многопараметрической, за критические параметры следует принять температуру стенки Т0 и эффективный коэффициент теплоотдачи а . Критические условия самовоспламенения определялись по резкому изменению характера зависимости температуры шихты от времени при небольшом изменении значения а , которое определяет переход от режима жидкофазного спекания к режиму теплового взрыва.
В областях параметрической диаграммы а" а , (ниже кривых) имеет место тепловой взрыв. Повышение критического значения эффективного коэффициента теплоотдачи с уменьшением размера частиц легко объяснить тем, что с уменьшением размера частиц возрастает их число в единице объема, следовательно, согласно (3.2) возрастает и удельное тепловыделение в объеме реагирующей шихты, исходя из этого, возрастает допустимый теплоотвод, при котором может произойти самовоспламенение.
На рис.3.4 - 3.6 представлены результаты расчета динамики саморазогрева и фазообразования для различной дисперсности частиц титана. Температура стенки реактора 750 С, а = 4 Вт/м .
Из рисунков следует, что в данном случае процесс фазообразования заканчивается при достижении системой максимальной температуры. За индукционный период происходит перемещение границ формирующегося слоя интерметалл и дного соединения ТіАІз к центру частицы и к периферии ячейки. Наличие точки перегиба соответствует полной перекристаллизации фазы ТІ3АІ и твердого раствора в фазу ТІА1. После этого происходит резкий подъем температуры, с последующим исчезновением жидкой фазы, которое и определяет момент достижения системой максимальной температуры. Далее, происходит охлаждение продукта до начальной температуры. С ростом размера частиц титана увеличиваются индукционные времена, и незначительно уменьшаются максимальные температуры
При расчете системы (3.2) - (3.6) для синтеза соединения ТІА1, изменится два взаимосвязанных параметра: стехиометрический размер реакционной ячейки (3.1), и число ячеек в единице объема. В данном случае, на каждую частицу будет приходиться меньшая масса алюминия, размер ячейки уменьшится, следовательно, возрастет число ячеек в единице объема. Как следует из уравнения (3.2), возрастет скорость тепловыделения. Критические условия по теплоотводу следует ожидать более мягкими. Последнее иллюстрируется рис,3.5, на котором представлена зависимость критического коэффициента теплоотдачи от температуры стенки реактора. Для системы ТІАІ, при тех же самых значениях температуры стенки, что и для системы TIAlj, воспламенение возможно при значительно больших значениях эффективного коэффициента теплоотдачи.
