УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ ДВУХСЛОЙНЫХ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ СВС, ВАРЬИРОВАНИЕМ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ СЛОЯМИ

Котин Илья Моисеевич

старший преподаватель УО ФПБ

 «Международный университет «МИТСО»,

 г. Витебск

E-mail: ikotin@tut.by

Одним из методов получения алмазосодержащих материалов (АСМ) для производства алмазного инструмента (хонинговальные бруски, шлифовальные головки, планшайбы) является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Этим методом АСМ получают из двухслойных образцов реакционно-способной шихты; один слой образцов содержит алмазный порошок [3]. Свойства получаемых АСМ зависят от параметров волны горения, в частности, от скорости и температуры горения. Известно, что для сохранения свойств частиц алмазного порошка после СВС самый процесс синтеза должен удовлетворять определенным требованиям [3], например: 1) малое время пребывания алмазных зерен в волне горения; 2) низкая температура горения в алмазосодержащем слое. Экспериментальные данные [3] показы­вают, что превалирует первое требование. Таким образом, представ­ляет интерес теоретическое исследование горения двухслойных образцов. Именно: изучение зависимостей параметров волны горения от теплофизических характеристик (ТФХ) реакционной среды и геометрических размеров образца.

В нашей работе рассматривается простейшая модель двухслойного образца, позволяющая определить некоторые режимы горения образцов.

Модель образца. Пусть образец состоит из двух параллельных бесконечных пластин (слоев) реакционно-способных смесей. Считаем, что эти пластины разной толщины (d₁ и d₂), реакционные среды слоев имеют различные теплоты реакций, все остальные ТФХ и кинети­ческие параметры сред одинаковы. Полагаем также, что между пластинами осуществляется ньютонов теплообмен (с коэффициентом теплообмена ), вся же система из двух пластин теплоизолирована. Стационарная волна горения распространяется со скоростью u вдоль пластин в направлении противоположном оси  (см. рис. 1). Система уравнений, описывающая распространение стационарной волны горения в двухслойном образце, имеет вид (в безразмерных переменных):

                (1)

с граничными условиями

          (2)

В (1) и (2) ;

   — температура, степень превращения в -ом слое ;  — температура, установившаяся в продуктах реакции при ;  — адиабатическая температура горения первого слоя;  — начальная температура шихты в обоих слоях;  — удельная теплоемкость, плотность шихты и продукта в обоих слоях;  — толщина -ого слоя ;  — теплота реакции в единице объема для реагентов -ого слоя ;  — координата;  — скорость распространения волны горения;  — энергия активации;  — газовая постоянная;  — коэффициент ньютонова теплообмена;  — предэкспонент;  — коэффициент температуропроводности.

Рисунок 1. Модель теплоизолированного двухслойного образца

Полагали, что . В предположении равенства остальных ТФХ обоих слоев это неравенство можно трактовать, например, как разбавление реагентов во втором слое конечным продуктом с теми же ТФХ, что и у смеси реагентов, или инертом (например, алмазным порошком).

Систему уравнений решали в приближении бесконечно узкой зоны реакции [1] (фронт горения полагали ступенчатым с расстоянием L между участками фронта в различных слоях). Аналитическое исследование и численное решение этой системы уравнений выявили наличие, по крайней мере, двух режимов горения: режим «отрыва» и режим типа «слияния» [2]. В первом режиме скорость волны горения  обусловлена реагированием в более экзотермическом слое: режим реализуется при малом теплообмене  между слоями. Второй режим имеет место при большом теплообмене между слоями или при близких тепловых эффектах смесей слоев.

Результаты. Представим некоторые результаты решения системы уравнений (рис. 2). Наблюдаем, что при малых значениях безразмерного коэффициента теплообмена  (кривые 1—4) существует интервал значений , на котором зависимости  и  имеют плато. Наличие плато на этих зависимостях указывает на реализацию режима «отрыва». В режиме «отрыва» скорость горения образца значительно превосходит таковую для образца только из смеси второго слоя. В этом режиме при небольших  расстояние  между участками фронта горения в различных слоях значительно превосходит размеры  зон прогрева в этих слоях (рис. 2b.). Начиная с некоторого , зависимости  и  представляют собой возрастающие функции. На кривых 5,6 зависимостей  и  плато отсутствует, то есть при значениях , соответствующих этим кривым, режим «отрыва» не имеет места. Обратим внимание на кривую 5, вид которой красноречиво указывает на различную природу режимов типа «слияния», реализующихся при малых значениях  и значениях , близких к единице. При малых  режим типа «слияния» обусловлен большим теплообменом между слоями; при , близких к единице, появление этого режима связано с близостью скоростей распространения волн горения в отдельных слоях.

Рисунок 2. Зависимости безразмерных скорости горения (a), сдвига между участками фронта (b), температуры горения  в первом (c) и втором  (d) слое
от параметра  при различных значениях безразмерного коэффициента теплообмена  (1 — 5·10 -3; 2 — 6,11·10 -3; 3 — 7,22·10 - 3; 4 — 8,33·10 -3; 5 — 8,89·10 -3; 6 — 1,0·10-2),
при

Заключение. Изменяя интенсивность теплообмена между слоями образца, можно управлять режимом горения двухслойного образца и, соответственно, свойствами получаемого материала. В частности, для большей сохранности свойств алмазных зерен горение должно проходить в режиме «отрыва». Изменение режимов горения экспери­ментально можно реализовать, например, следующими способами:

1.варьировать теплообмен между слоями пластинками различной толщины из инертного тугоплавкого материала, помещенными между слоями;

2.добавлять в исходные смеси слоев плавящийся инертный материал, который в процессе горения плавится и перетекает по капиллярам из одного слоя в другой, перенося при этом энергию;

3.изменять степень дегазации порошков, входящих в исходные реакционные смеси слоев, т. к. в процессе горения примесное газовыделение осуществляет термическую связь между слоями.

Отметим, что полученные теоретические результаты качественно согласуются с опытными данными [4] по горению трехслойных образцов, в двух слоях которых присутствует инертная металлическая связка.

Список литературы:

1.Зельдович Я.Б. Математическая теория горения и взрыва / Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренблатт, В.В. Либрович, Г.М. Махвиладзе. — М.: Наука, 1980. — 478 с.

2.Котин И.М. Режимы распространения волны горения в двухслойной СВС -среде // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия C: Фундаментальные науки. Физика. — 2011. — № 4. — С. 97—105.

3.Левашев Е.А. Разработка технологических процессов получения новых керамических и керамико-металлических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: дис. ... д-ра техн. наук / МГИСИС. — М., 1995. — 97 с.

4.Merzhanov A.G. Combustion and structure formation of FGM by SHS / Merzhanov A.G., Rogachev A.S., Sytschev A.E. et al. // Proceeding of the 1st Sino-Russian workshop on SHS. — Beijing. China. — 2000. — P. 133—140.