Введение к работе
Актуальность теми. Благодаря уникальным физико-химическим свойствам пироуглерод и различные углерод-углеродные материалы, содержащие в качестве компонента пироуглерод, в последнее время нашли широкое применение в технике высоких температур, ядерной технике, электротехнике, химическом машиностроение, медицине.
Сдерживающим фактором для широкого использования пироуглерод-ных материалов с высокими характеристиками является сложность его производства и соответственно высокая стоимость. Это связано, в первую очередь, с отсутствием хорошо отработанных технология. Параметры технологических процессов (состав углеродосодержвщей среды, температура, давление, скорость потока и т.д.) подбираются пока чисто эмпирическим путем, свойства получаемых материалов плою воспроизводятся, высок процент брака.
Процесс образования твердых углеродов в результате пиролити-ческого разложения углеводородов - это химическое осаждение углерода на нагретой поверхности, к которой поступают потоки молекул-реагентов из реакционного объема в результате диффузии и конвекции и отводятся газообразные продукты реакции. При этом в общем случае паралельно процессу осаждения протекают процессы химического разложения в газообразной фазе и структурные изменения (графитизация) в конденсированной фазе. Те замечательные свойства, которые присущи пироуглеродным материалам, во многом определяются его поликрио-таллической структурой. Поэтому существует необходимость исследования влияния параметров процесса осаждения на структурные характеристики получаемого материала. К сожалению, несмотря на значительное число работ, посвященных этому вопросу, целостное теоретическое количественное описание процесса образования пироуглеродв, связывающее состав и термодинамические параметры газовой фазы со скоростью роста пироуглеродв и характеристиками его структуры, по существу отсутствует. Имеющиеся в настоящий момент гипотезы образования пироуглеродв зачастую не согласованы друг с другом и носят в основном качественный характер.
Таким образом, для описания процессов образования пироуглеродв и углерод-углеродных материалов существует потребность в создании модели, которая бы описывала кинетику формирования твердой фа-
- і -
зы для различных условий осаждения из различных по составу углеро-досодеркащих газов и позволила бы, с одной сторони, обеспечить интерпретацию експериментальних данных о скоростях роста и структурных характеристик, а с другой стороны, планировать необходимые експерименти с целью выявления управляющих факторов, существенно влияющих на характеристики получаемого материала.
Цель работы; построение новых феноменологических моделей кинетики образования пироуглерода и углерод-углеродных материалов, их исследование, сравнение с экспериментом, анализ физических следствий полученных результатов.
Основные результаты и их научная новизна.
-
Предложена новая математическая модель кинетики массовой кристаллизации для описания процесса образования пироуглерода и углерод-углеродных материалов, основанная на вычислении функции распределения кристаллитов по размерам и охватывающая процесс формирования поверхности от момента устойчивого образования зародыша до стадии полного заполнения. Нулевым приближением, которое не учитывает взаимодействие растудах кристаллитов, является модель независимо растущих кристаллитов. Влияние взаимодействия в первом приближении описывает модель ограниченно растущих кристаллитов.
-
Предложено использование безразмерных критериев, определяющих характер кинетики кристаллизации для различных механизмов образования зародышей на подлсжке.
-
Получение точное аналитическое решегше для модели независимо растущих кристаллитов и численное решение для модели ограниченно растущих кристаллитов, списывающее эволюцию всех представляющих интерес характеристик формкрунзегося слоя: распределение кристаллитов по размерам, число кристаллитов, суммарный периметр границ, средний размер кристаллитов, степень заполнения слоя.
-
Предлагаемая модель обобщено на случай образования пироуглерода из смеси углеродосодержаадх газов. Получены соотношения для описания характеристик процесса образования пироуглерода из смеси. Установлена зависимость характеристик образования пироуглерода из смеси от механизма образования зародышей.
-
Проведено численное моделирование процессов формирования полис-лойноЯ пленки при поочередной и одновременном росте слоев. Установлен различный характер стабилизации параметров процесса в зави-
симости от механизма образования зародышей кристаллитов. Практическая значимость работы.
-
Результаты работы позволяют в первом приближении моделировать возможные процессы образоваїшя пироуглерода на различных подложках из многокомпонентного углеродосодеркащего газа, различных режимов роста пироуглерода в целях выявления управляющих факторов и оптимизации протекания технологических процессов производства углерод-углеродных материалов.
-
На основании физических предсказаний модели появляется принципиальная возможность определения роли различных типов участков неоднородной пироуглеродноЯ поверхности в процессе образоваїшя пироуглерода.
Апробация работы
Основные результаты докладывались на 4-м Международном тематическом семинаре "Взаимодействие газов с обтекаемыми поверхностями. Аерогазодинамические аспекты". (Терскол, апрель 1992.)
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 статьи 11—31 -Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 167 страницах, из них 17 с рисунками, 3 с таблицами. Библиографический список содержит 101 наименований.