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.
О.К. Камынина1, С.Г. Вадченко2, И.Д. Ковалев2, Д.В. Прохоров1 1Институт физики твердого тела им. Ю. А. Осипьяна РАН, Черноголовка, Россия kamynolya@gmail.com 2Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова РАН, Черноголовка, Россия
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, горение, слоистые композиционные материалы, реакционные ленты, Ti, Hf, Ta, металлокерамика
Страницы: 100-109
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.
Е.Н. Боянгин, О.В. Лапшин
Томский научный центр СО РАН, Томск, Россия jeck2000@list.ru
Ключевые слова: низкоэнергетическая механоактивация, режим нагрева, тепловой взрыв, интерметаллид NiAl
Страницы: 110-117
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.
J. Liu, D. Q. Wang, Z. M. Zhang, F. S. Li
National Special Superfine Powder Engineering Research Center of China, School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, P. R. China jie_liu_njust@126.com
Ключевые слова: бор, модификация поверхности, энергия воспламенения, скорость реакции, ракетное топливо на основе бора
Страницы: 118-127
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.
C. Hua Wang, C. Hui Wang, H. D. Pan, L. Zhao, Y. Yue
College of Petroleum Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun China wangchunhua@lnpu.edu.cn
Ключевые слова: горелка с низкой эмиссией оксидов азота, численное моделирование, трубки для подачи газа, внутренняя и внешняя двойная рециркуляция дымовых газов, сжигание без предварительного смешения
Страницы: 3-14
Создана трехмерная модель горелки, и изучено влияние конструктивных параметров газового сопла на характеристики горения. При изменении параметров сопла меняется зона рециркуляции в топке. Взаимодействие и симметрия четырех зон обратного течения напрямую влияют на стабильность пламени. Изменение максимальной и средней температур в печи не является основной причиной увеличения выбросов NOx на выходе из топки (MNO). Скорее всего, повышение MNO обусловлено характеристиками области высокой температуры. В десяти исследованных случаях выбросы NOx были ниже 30 мг/м3, а в некоторых случаях даже менее 10 мг/м3 (при нормальных условиях), что указывает на то, что сверхнизкие выбросы оксидов азота котла могут быть достигнуты путем разумной модификации конструкции сопла.
К.Н. Осипова, А.Г. Шмаков
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, Новосибирск, Россия k.n.osipova23@gmail.com
Ключевые слова: оксид пропилена, изотермический реактор струйного перемешивания, химическая кинетика, масс-спектрометрия, химико-кинетический механизм
Страницы: 15-27
Оксид пропилена (С3H6O) может использоваться в качестве добавки к обычным топливам для снижения выбросов сажи, а также быть промежуточным продуктом окисления тяжелых углеводородов. В работе при помощи изотермического реактора струйного перемешивания получены новые экспериментальные данные по окислению С3H6O в условиях низких температур. Эксперименты проводились при температурах 600 ÷ 1 300 К и давлении 1 атм, время пребывания газовой смеси в реакционном объеме составляло 1 с. Протестировано пять детальных химико-кинетических механизмов, взятых из литературы. Выявлен механизм, обладающий наилучшей предсказательной способностью в условиях низких температур. Тестирование механизмов проводилось также на базе экспериментальных данных по структуре пламен С3H6O. Установлено, что в настоящий момент не существует модели, способной корректно описать процесс горения и окисления С3H6O как при низких, так и при высоких температурах.