Введение к работе
Актуальность В последние годы наблюдается растущий интерес к совмещению методов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и механической активации (МА). Объясняется это тем, что предварительная механическая активация порошковых реакционных смесей позволяет существенно расширить возможности безгазового горения для высокотемпературного синтеза неорганических материалов. Для большинства исследованных активированных составов синтез проводился в режиме фронтального распространения волны СВС. В то же время особенности динамики процесса саморазогрева предварительно механически активированных систем не изучены. Однако реализация синтеза в режиме теплового взрыва в активированных системах может обладать рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционным фронтальным режимом горения, прежде всего связанных с возможностью формирования более однородного в отношении фазового состава продукта, возможностью управления процессом путем изменения внешних факторов. Как следствие, возникает практически важный для экспериментатора или технолога вопрос об установлении критических условий реализации синтеза в режиме теплового взрыва и выяснения диапазона параметров управления процессом в предварительно активированных смесях.
Известно, что основной макрокинетической характеристикой процесса теплового взрыва является температура воспламенения смеси. В теории и практике процессов СВС известно, что образование жидкой фазы, которая является химически активным компонентом смеси, нередко определяет необходимые условия синтеза для высокоэкзотермических реакций. В такой ситуации говорят о «естественной обрезке» функции тепловыделения. В случае, если фазового превращения в процессе взаимодействия не происходит, вопрос об определении температуры воспламенения системы является неоднозначным и требует специального исследования, поскольку синтез происходит непрерывно в процессе нагрева системы внешним источником. Однако, эта проблема не является единственной. Многие системы (особенно дисперсно-упрочненные) синтезируют при добавлении пластичного металлического компонента. Таким образом, возникает дополнительная проблема исследования критических условий и по внутреннему теплоотводу, или массовому содержанию инертной металлической добавки. Это является актуальным с точки зрения получения защитных покрытий из порошковых материалов с пластичной матрицей. Расширение диапазона массового содержания инертного связующего компонента в смеси дает возможность находить оптимальные режимы напыления в более широкой области изменения параметров синтезированных материалов и изменять свойства пластичности и твердости покрытия. Кроме того, существенное влияние на
процессы твердофазного фазообразования оказывает и время предварительной механической активации смесей.
Исходя из изложенного, возникает необходимость создания экспериментального комплекса для исследования критических условий синтеза при объемном воспламенении механоактивированных смесей и разработки специальной методики определения оптимального диапазона параметров синтеза, для получения продуктов требуемого состава и свойств. В качестве объектов исследования были выбраны технологически значимые порошковые системы (керметы) Ті + С + xNi и Ті +2B+xNi.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», ГК № 02.513.11.3365 и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы), код проекта 4799.
Цель работы заключалась в разработке экспериментального комплекса и специальной методики исследования критических условий реализации синтеза порошковых смесей, подверженных предварительной механической активации, в режиме объемного реагирования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Создание экспериментального комплекса для исследования критических
условий реализации синтеза в механически активированных порошковых
системах.
Разработка и реализация экспериментальной методики определения критических условий воспламенения на примере технологически значимых порошковых систем: Ti+C+xNi и Ti+2B+xNi на основе созданного комплекса.
Изучение особенностей синтеза в указанных системах на основе анализа термограмм процесса.
Научная новизна работы:
Создан экспериментальный комплекс, который позволяет осуществлять управление процессом синтеза путем изменения реакционной способности исходной смеси (время предварительной МА), внутреннего теплоотвода (содержанием инертного компонента в смеси), температурой инициирования процесса (либо величиной подводимой мощности). Комплекс дает возможность производить непрерывный контроль инициирующей мощности и температуры смеси в процессе синтеза.
Разработана экспериментальная методика для исследования критических условий реализации синтеза в предварительно механически активированных системах при объемном воспламенении смесей, позволяющая определять нижние границы реализации синтеза по температуре инициирования процесса и верхние границы по содержанию инертного компонента.
3. На основе разработанного комплекса и предложенной методики определены нижние границы реализации синтеза по величине температуры инициирования процесса и верхние границы по содержанию инертной никелевой связки системах Ті + С + xNi и Ті +2B+xNi. Для рассмотренных систем установлено, что температуры начала объемного воспламенения являются аномально низкими по сравнению с традиционным СВ-синтезом в режиме теплового взрыва, и составляют 400-900С, что свидетельствует о твердофазном характере взаимодействия.
Практическая значимость работы заключается в создании экспериментального комплекса для исследования синтеза в предварительно механически активированных системах, который позволяет непрерывно контролировать значения подводимой мощности (инициирующей температуры) и температуры смеси при быстром нагреве внешним источником, в разработке экспериментальной методики исследования критических условий синтеза. В реализации синтеза в системах Ті + С + xNi, Ті + 2В + xNi на основе разработанного комплекса при температурах значительно более низких, чем температура плавления титанового компонента, за малый интервал времени, что позволяет производить синтез в традиционных нагревательных печах. В установлении критических нижних границ реализации синтеза по температуре среды и верхних границ по содержанию инертного компонента. Предложенная методика позволяет расширять возможности изменения степени пластичности и твердости синтезированных продуктов для их применения в процессах получения защитных покрытий.
Автор защищает
1. Экспериментальный комплекс для исследования критических условий
синтеза в механически активированных системах.
Методику исследования критических условий реализации синтеза предварительно механически активированных системах в режиме теплового взрыва.
Особенности синтеза в системах Ті + С + xNi, Ті + 2В + xNi.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в одиннадцати работах, которые приведены в списке публикаций.
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на объединенном физическом семинаре АлтГТУ, на Международной научно-технической конференции «Композиты - в народное хозяйство» (Барнаул, 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (Барнаул, 2007 г.), на 4-й международной научно-практической конференции: «Качество науки -качество жизни» (Тамбов, 2008 г.), на 1-й международной конференции «Наноструктурные материалы-2008: Беларусь-Россия-Украина» (Минск, 2008 г.).
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из 4-х глав, основных выводов и списка литературы. Общий объем диссертации содержит 114 страниц текста, 92 рисунков, 3 таблиц, список литературы из 112 наименований.
