ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ПАРАМЕТРОВ  ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ  В  ВОЛНЕ  СВ-СИНТЕЗА  МЕТОДОМ  ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ  МИКРОПИРОМЕТРИИ

Бороненко  Марина  Петровна

аспирант  Югорский  государственный  университет  г.  Ханты-Мансийск

E-mail  MarinaB7@yandex.ru

Серегин  Александр  Евгеньевич

аспирант  Югорский  государственный  университет  г.  Ханты-Мансийск

E-mail  alex_seregin@mail.ru

В  настоящее  время  существует  необходимость  получения  новых  материалов  с  заданными  свойствами.  Перспективным  способом  получения  таких  материалов  является  самораспространяющийся  высокотемпературный  синтез  (СВС).  Известно,  что  кинетику  и  пути  химических  реакций  в  СВС  определяют  процессы  переноса  тепла  и  вещества,  происходящие  на  микроструктурном  уровне.  Управляя  этими  процессами  можно  добиться  получения  материала  с  заданными  свойствами.  

Цель  исследования  состояла  в  экспериментальном  исследовании  волны  СВС  в  системе  Ni-Al  и  определения  количественных  параметров  процесса  методом  высокоскоростной  микропирометрии.

Калибровка  и  метрологические  характеристики  видеокамер  с  ЭОП.

Для  использования  видеокамеры  в  качестве  высокоскоростного  пирометра  была  проведена  калибровка  по  эталонной  температурной  лампе  ТРУ1100-2350. 

Изображение,  вольфрамовой  нити  накала  было  представлено  в  шкале  серого.  В  зависимости  от  подаваемого  на  эталонную  лампу  ТРУ  100-2350  с  источника  PSH-2035  тока,  вольфрамовая  нить  лампы  имеет  различную  температуру,  а,  следовательно,  и  яркость.  Зная  ток,  протекающий  через  лампу,  можно  по  имеющейся  таблице  найти  яркостную  температуру  нити  накала  [1].

а)                                                                 б)

Рисунок  1.  Яркость  пикселей  изображения,  полученного  видеокамерой,  в  зависимости  от  времени  экспозиции  в  шкале  серого  а)  большие  времена  накопления;  б)  малые  времена  накопления.

                          а)                              б)

Рисунок  2.  а)  Высокоскоростной  микропирометрический  комплекс  измерения  температуры  и  скорости  распространения  пламен:  1  —  оптическая  скамья,  2  —  пробирка  с  шихтой  Ni-Al,  3  —  микроскоп,  4  —  видеокамера  видеоСпринт,  5  —  монитор,  6  —  системный  блок,  7  —  клавиатура;  б)  Аппроксимированная  кривая  (погрешность  2  %)

Эксперименты  проводили  со  стехиометрическими  смесями  алюминия  (18  %)  и  никеля  (82  %)  при  атмосферном  давлении.  Пробирку  из  кварцевого  стекла  длиной  12  см  и  диаметром  3,5  см.,  наполняли  шихтой  Ni-Al.  Регистрация  процесса  горения  производилась  с  боковой  поверхности  образца  при  прохождении  волны  СВС  в  поле  зрения  2  х  2  мм  видеокамеры  через  оптический  канал  бинокулярного  микроскопа  МБС-10  на  частоте  400  кадров  в  секунду  и  экспозиции  150  мкс.  Полученные  видеофайлы  анализировали  на  компьютере.

Результаты  и  обсуждение  эксперимента.

Наблюдение  процесса  горения  показало,  что  на  начальной  стадии  развитие  первичного  одиночного  очага  привело  к  распространению  фронта  волны,  имеющего  форму,  близкую  к  полусфере.  Однако  по  мере  возникновения  новых  очагов  горения,  теряет  симметричную  форму,  что  предопределяет  направление  фронта  волны  в  дальнейшем. 

а)                                                       б)

Рисунок  3.  Фронт  волны  горения  СВС,  имеющий  форму,  близкую  к  полусфере  а)  оригинальный  кадр  б)  3D-модель  области

Если  при  обработке  данных  разбить  область  СВС  на  пластины  [2],  то  можно  заметить,  что  волной  нагрева  охвачены  сразу  несколько  пластин,  как  в  квазигомогенном  режиме  горения.  В  рамках  этой  модели  температура  пластины  считается  установившейся  по  всей  поверхности.  Поэтому,  температура  каждой  пластины  рассчитывалась  как  среднее  от  всех  мгновенных  значений  в  области  соответствующего  выделения.  Так  как  реакция  СВС  протекала  в  цилиндрицеском  кварцевом  реакторе,  имеющем  диаметр  близкий  к  критическому,  и  теплоотвод  через  боковую  поверхность  существенен,  то  система  уравнений,  описывающих  стационарное  распространение  волны  имеет  вид:

где  λ=λ(η)  —  уравнение  зависимости  теплопроводности  зоны  горения  от  степени  полноты  реакции; 

m  —  массовая  скорость  горения; 

с  —  теплопроводность; 

η  —  степень  полноты  реакции, 

ε  —  коэффициент  излучения  реакционной  зоны; 

σ  —  постоянная  Стефана-Больцмана; 

Q  —  теплота  реакции, 

Т₀  —  начальная  температура, 

d  —  диаметр  образца, 

α  —  коэффициент  теплоотдачи, 

  —  скорость  тепловыделения.  В  условиях  высоких  градиентов  температур  конвективным  теплообменом  можно  пренебречь. 

Однако,  термограммы  горения  пластин  имеют  промежуточный  вид  между  эстафетным  и  гомогенным  (рис.  6.б),  поэтому  можно  предположить,  что  осуществляется  переход  к  эстафетному  режиму  горения.

График  изменения  площади  области  прореагировавшего  вещества  с  течением  времени  позволяет  найти  коэффициент  температуропроводности  вещества  3,2х10^-5м²/c.  Результат  можно  объяснить  если  предположить,  что  никель  за  счет  малости  размеров  частиц  (порядка  12  мкм)  растворился  в  расплаве  алюминия  (размер  частиц  порядка  50  мкм),  а  расплав  имеет  суммарную  стехиометрическую  температуропроводность  3,3х10^-5м²/с  (при  температуропроводности  Al  и  Ni  8,418х10^-5м²/с,  2,2х10^-5  м²/с  соответственно).

где:    —  температуропроводность, 

ν  —  весовой  коэффициент  (доля).

Рисунок  4.  а)  Последовательность  видеоизображений  развития  во  времени  фронта  волны  горения  СВС

Рисунок  5.  Динамика  прореагировавшей  области  горения  СВС

В  статье  представлены  результаты  экспериментального  исследования  волны  горения  в  порошковых  смесях  системы  Ni-Al  с  помощью  применения  метода  скоростной  киносъемки.  На  основе  полученных  данных  определялись  характерные  пространственно-временные  масштабы  тепловой  структуры  волны  СВС  и  температурная  динамика  в  локальной  точке.

а)                                                       б)

Рисунок  6.  а)  зависимость  средней  температуры  пластинок  от  времени  б)  график  изменения  площади  области  прореагировавшего  вещества  с  течением  времени

Список  литературы

1.Гуляев  П.Ю.,  Долматов  А.В.  Автоматизация  контроля  теплофизических  параметров  в  технологиях  детонационного  напыления  //  Системы  управления  и  информационные  технологии,  2009,  №  1—2(35),  С.  230—233.

2.Евстигнеев  В.В.,  Гуляев  П.Ю.,  Иордан  В.И.,  Калачёв  А.В.,  Теоретические  модели  и  экспериментальные  методы  исследования  механизма  формирования  тепловой  структуры  в  волне  горения  самораспространяющегося  высокотемпературного  синтеза//  Позуновский  вестник  2005.  №  1  —  с.  313—320.

3.Евстигнеев  В.В.,  Гуляев  П.Ю.,  Гончаров  В.Д.  Исследование  тонкой  тепловой  структуры  СВ-синтеза  методом  быстродействующей  цифровой  тепловизионной  съемки  //  Вестник  Алтайского  научного  центра  сибирской  академии  наук  высшей  школы,  2003,  №  4,  С.  3—6. 

4.Мержанов  А.Г.  Твердопламенное  горение.  —  Черноголовка,  ИСМАН,  2000.  —  224  с.

5.Патент  2099674  РФ.  МПК  G01J  5/52.  Способ  измерения  яркостной  температуры  объекта  /В.В.  Евстигнеев,  В.М.  Коротких,  П.Ю.  Гуляев,  А.В.  Еськов,  М.А.  Гумиров.  Заявлено  01.07.1996;  Опубл.  20.12.1997,  Бюл.  №  35.  —  2  с.:

6.Evstigneyev  V.V.,  Gulyaev  P.Yu.,  Mukhachev  A.B.,  Garkol  D.A.  A  new  procedure  of  high-rate  brightness  pyrometry  for  studying  the  SHS  processes  //Combustion,  Explosion  and  Shock  Waves,  1994,  V.  30,  №  1,  P.  72—78.

7.Gulyaev  P.Yu.,  Gulyaev  I.P.,  Cui  Hongzhi,  Milyukova  I.V.  In-situ  selfpropagating-hightemperature-synthesis  controlled  by  plasma  //  Вестник  Югорского  государственного  университета,  2012,  №  2  (25),  С.  28—33.