Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2024 номер 1

Исследовался начальный участок струи водорода, истекающей вверх из щели размером 2 × 20 мм и сгорающей в воздухе. Профили продольной и поперечной скорости газа получены с помощью аппаратуры PIV (particle image velocymeter), распределение локальной температуры и состава стабильных веществ - методом комбинационного рассеяния с использованием фокусирующей резонаторной системы. На основании опытных данных определен вклад молекулярных и конвективных механизмов переноса в интенсивность тепловыделения. Показано, что максимальная интенсивность тепловыделения зависит главным образом от газодинамических и теплофизических характеристик газового потока при его макроскопическом движении.

Экспериментально и численными методами исследованы процессы горения богатых смесей метанола и водорода с воздухом. Показано, что отклонение от правила Ле Шателье для богатых пределов распространения пламени обусловлено двумя факторами: ингибированием метанолом распространения пламени в богатых смесях водорода и наличием сверхадиабатических температур в богатых смесях метанола. Показано, что результат действия добавки водорода в малых количествах в богатые смеси метанола совпадает с результатом действия инертных добавок азота и диоксида углерода. Численное моделирование показало, что добавление небольших количеств водорода в богатые смеси метанола приводит только к физическому воздействию на нормальную скорость распространения пламени. Добавки Н₂ действуют на реализацию сверхадиабатических температур в пламени метанола так же, как инертные добавки СО₂ и N₂.

Создана математическая методика расчета задачи об инициировании детонации в водородовоздушной смеси сферой малого диаметра, летящей со скоростью, превышающей скорость детонации Чепмена - Жуге. Выполнена верификация математической модели по экспериментальным данным о размерах детонационной ячейки в водородокислородной и водородовоздушной смесях. В зависимости от давления смеси, которое варьировалось в пределах 100 ÷ 250 кПа, получены три режима наклонных детонационных волн: 1) при давлении 250 кПа стабилизированная наклонная детонационная волна; 2) при давлении 200 кПа стабилизированная наклонная детонационная волна типа «соломенная шляпа»; 3) при давлении 125 кПа ранее не наблюдавшийся в экспериментах периодический режим с отходящей наклонной детонационной волной. При давлении 100 кПа реализуется режим ударно-инициированного горения. На основе аналитической зависимости проведена оценка энергии инициирования детонации быстролетящим телом, которая показала соответствие аналитических и расчетных данных.

Для синтеза наноразмерных материалов, применяемых в различных областях, в том числе для химического катализа, в качестве перспективных прекурсоров рассматриваются металлорганические комплексы переходных металлов с неорганическими анионами. В данной работе синтезированы и охарактеризованы металлорганические комплексы никеля, железа, меди с органическим лигандом - имидазолом и с неорганическим - нитрат-анионом. С помощью методов термогравиметрического анализа при низкой скорости нагрева, а также динамического масс-спектрометрического высокоскоростного термического анализа определены кинетические параметры термического разложения синтезированных металлорганических комплексов. В условиях высокоскоростного нагрева идентифицированы основные газообразные продукты термического разложения исследованных комплексов. Изучен химический и фазовый состав конденсированных продуктов сгорания металлорганических комплексов на воздухе.

Существуют разнообразные способы синтеза композитов из смесей порошков металлов, формирующих интерметаллидные фазы, а также из смесей порошков металлов и неметаллов (например, углерода или бора). В 70-е годы прошлого столетия был предложен подход к описанию процессов горения и взрыва с выделением реакционных ячеек, который с современных позиций можно отнести к двухуровневым моделям синтеза. Подход активно развивался для бинарных систем, однако так и остался достаточно условным. В настоящей работе представлен обзор подобных моделей; предложено их развитие за счет учета сопутствующих процессов (не только диффузии, но и эволюции напряженно-деформированного состояния) и модификации применительно к синтезу, управляемому лазерным или электронным лучом.

Математическим моделированием изучены режимы электротеплового взрыва безгазовой системы, окруженной диэлектрической средой. Рассмотрено влияние интенсивности кондуктивного теплообмена и мощности джоулева нагрева на формирование безразмерных температурных и концентрационных профилей, интегральную глубину превращения и скорость распространения фронта реакции. Для разделения стадий воспламенения и распространения реакции использовали критерий, заключающийся в достижении глубины превращения 0.99 в любой точке образца. Определено количество продукта, образующегося на стадии воспламенения. Показано, что вблизи критических условий при воспламенении на оси образца достигается большая глубина превращения, приводящая к смещению зоны воспламенения от оси к поверхности образца.

Представлены результаты термодинамического расчета адиабатической температуры и равновесного состава продуктов восстановления HfO₂ кальцием в зависимости от содержания углерода и кальция при различном давлении. В расчетах задавалась возможность формирования твердых растворов HfN-HfC, образование которых отождествлялось с образованием карбонитрида гафния. Показано, что значения адиабатической температуры находятся в диапазоне 2 000 ÷ 2 900 K, и ее повышение ограничено плавлением CaO при 2 900 K. Введение углерода, как правило, снижает адиабатическую температуру, а рост давления приводит к ее увеличению. Выявлена связь между составом продуктов и видом температурных кривых. Основной причиной роста адиабатической температуры с ростом давления является смещение равновесий в сторону образования конденсированных фаз и увеличение доли HfN в продуктах.

Реализован направленный синтез оксинитридных композитов путем организации сопряженных процессов. В качестве основного (индуцирующего) процесса рассматривается взаимодействие ферросилиция с азотом в режиме горения. Фазовый состав продуктов сопряженных процессов определяется химическим и фазовым составом компонентов, добавляемых к ферросилицию перед проведением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Установлено влияние основных параметров синтеза на скорость горения, содержание азота, фазовый состав и морфологию продуктов синтеза. Показана химическая стадийность взаимодействия ферросилиция с добавками природных минералов (циркон, ильменит, шунгит) и алюминия в среде азота. Фазовый состав продуктов определяется химическими превращениями в волне горения. Установлено, что введение алюминия способствует снижению либо устранению фазы Si₂N₂O в продуктах синтеза по мере увеличения содержания алюминия и получения композитов на основе твердого раствора Si₃N₄ (SiAlON). Микроструктура продуктов горения представлена сростками (5 ÷ 10 мкм) мелких ограненных кристаллов, бесформенными образованиями и пластинчатыми кристаллами. Получены оксинитридные композиты с открытой пористостью 51.0 ÷ 68.8 %.

Рассмотрена возможность получения композиционного материала из ферросплава на основе нитридов кремния, алюминия и циркония методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Показано, что внесение азотсодержащей добавки на основе ферроалюмосиликоциркония в количестве до 35 % к исходному ферросплаву приводит к увеличению содержания азота, выходу основных нитридных фаз в продуктах горения, замедлению продвижения фронта волны горения и уменьшению максимальной температуры горения. Выявлено, что внесение предварительно азотированного материала более 20 % позволяет перевести режим распространения фронта волны горения в стационарный и получить продукты горения с макрооднородным составом. В условиях естественной фильтрации азота горением порошковой смеси на основе ферроалюмосиликоциркония и азотированного материала получен композит, состоящий из фаз AlN, Si₃N₄, ZrN и α-Fe.

Представлено исследование процесса механохимического синтеза нитрида титана в условиях двойной механической активации порошка титана: в аргоне и в газообразном азоте. В экспериментах варьировали время механоактивации титана в аргоне и в азоте. Анализ морфологии порошковых смесей, данных рентгенофазового и микроанализа показал, что предварительная механоактивация титана в аргоне способствует ускорению механохимического синтеза нитрида титана. Получены аналитические соотношения и даны теоретические оценки, позволяющие прогнозировать процесс двойной механоактивации титана.

Экспериментально исследовано формирование соединений фольг тугоплавких металлов (Ti, Hf, Ta, Ni) с керамическими слоями, образующимися в результате горения реакционных лент, прокатанных из порошковых смесей (Ti + 0.65C, Ti + 1.7B и 5Ti + 3Si). Микроструктура, элементный и фазовый составы многослойных композитов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, изучены методами растровой электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Выявлено влияние условий синтеза (начальной температуры, приложенного давления) и исходной структуры образцов на скорость распространения фронта волны горения, микроструктуру, фазовый состав и прочностные характеристики полученных слоистых материалов. Показано, что соединения в режиме горения между металлическими фольгами и реакционными лентами, прокатанными из порошковых смесей, обеспечиваются за счет реакционной диффузии, взаимной пропитки и химических реакций, протекающих в реакционных лентах и на поверхности металлических фольг. Прочностные характеристики полученных материалов (до 275 МПа при 25 °C, до 72 МПа при 1 100 °C) определены по схеме трехточечного нагружения. Результаты представляют интерес для разработки конструкционных материалов, работающих в экстремальных условиях.

Изучено влияние предварительной низкоэнергетической механической активации (МА) порошка никеля на тепловой взрыв интерметаллида Ni₃Al. Рассмотрены два способа синтеза. В первом осуществлялся непрерывный нагрев смеси внешним источником энергии. Во втором при достижении заданной температуры внешний источник отключался. Показано, что низкоэнергетическая МА никеля способствует интенсификации синтеза интерметаллида Ni₃Al. При непрерывном нагреве температура воспламенения не зависит от времени активации и равна температуре плавления алюминия. При нагреве с отключением внешнего источника предварительная активация никеля снижает температуру твердофазного воспламенения. Установлено, что активация никеля в лабораторной мельнице позволяет избежать факторов его пассивации.

Бор является одним из наиболее ценных компонентов ракетного топлива. Однако высокая температура кипения оксида бора (B₂O₃) на его поверхности (1 860 °C) затрудняет контакт между активным бором и окислителем в ходе процессов горения и воспламенения. В результате энергия воспламенения бора оказывается выше, а скорость горения - ниже. Для повышения эффективности воспламенения, а также реакционной способности бора его поверхность была модифицирована путем очистки растворителем, наращивания поверхности, а также изготовления его композита с алюминием, имеющим высокую температуру кипения. Композитные частицы, состоящие из бора, очищенного при помощи этанола, и толстых хлопьев алюминия, обозначаемые EB/TF-Al, продемонстрировали наилучшую реакционную способность, на 96.6 % большую в сравнении с композитными частицами, состоящими из чистого бора и толстых хлопьев алюминия (RB/TF-Al). Композитные частицы, состоящие из бора с наращенной поверхностью и толстых хлопьев алюминия (KHB-3/TF-Al), имеют минимальную энергию воспламенения, на 29.1 % ниже в сравнении с чистым бором. Поскольку модификация поверхности бора приводит к улучшению воспламеняемости, а также к увеличению его реакционной способности, ожидается, что такой подход позволит улучшить характеристики ракетного топлива на основе бора.

Широкое распространение плоских электронагревателей в технике и бытовых приборах требует поиска более простых и дешевых технологий их получения. В данной работе предложен способ получения электропроводящего покрытия (NiAl) и электроизоляционного слоя (стеклокерамика) в одну стадию - методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в термически сопряженной порошковой системе (Ni + Al)/(PbO₂ + B + Al₂O₃ + стекло). Исследован процесс распространения фронта волны горения, изучено влияние толщины слоев, соотношения компонентов в порошковой смеси PbO₂ + B + Al₂O₃ + стекло на скорость распространения и температуру фронта волны горения. Обнаружено расширение фронта волны экзотермического процесса при добавлении смеси PbO₂ + B в нижний слой. Добавление этой смеси позволяет снизить толщину слоя NiAl и обеспечить формирование однородного диэлектрического покрытия. Изучены фазовый состав и микроструктура покрытия. Установлены оптимальные соотношения толщин слоев и состава порошковой смеси слоев. Показана принципиальная возможность формирования электропроводящего и диэлектрического покрытия методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в одну стадию.

Получены модельные выражения для коэффициента концентрационной диффузии и фактора термической диффузии бинарной смеси, подчиняющейся уравнению состояния Ван-дер-Ваальса. Для расчета по модели при повышенном давлении (плотности) требуются параметры уравнения состояния смеси и ее фактор термодиффузии в низкоплотном идеально-газовом состоянии. Рассмотрено поведение модельных соотношений в зависимости от давления вдоль изотерм. Вблизи критического состояния модельный коэффициент диффузии имеет минимум, а коэффициент термодиффузии - максимум. Выполнено сопоставление моделей диффузии и термодиффузии при повышенном давлении с экспериментальными данными для ряда смесей. Показано их качественное и, в целом, количественное согласие при различных температурах и концентрациях компонентов. Уравнение Ван-дер-Ваальса недостаточно корректно при описании эксперимента по сжимаемости и фазовому равновесию при высоком давлении. Для этого требуются более сложные и гибкие его модификации. Приведены обобщающие выражения для модельных характеристик диффузии бинарной смеси на случай таких уравнений состояния.