Особенности тепло- и массообмена при горении гранулированной смеси Zr + 0.5C в спутном потоке аргона

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Acesso é pago ou somente para assinantes

Resumo

В работе впервые исследованы закономерности синтеза керамики ZrC0.5 из гранулированной смеси в спутном потоке аргона. В предварительных экспериментах без продува аргоном показано, что примесный газ не влияет на скорость горения смесей Zr + 0.5C, а передачу горения от гранулы к грануле обеспечивает движение расплава циркония. В спутном потоке аргона обнаружен новый режим горения гранулированных смесей, характеризующийся высокой скоростью распространения фронта горения и сопровождающийся уменьшением как продольного, так и поперечного размеров сгоревшего образца с образованием так называемого фингера. Совокупность наблюдаемых явлений можно объяснить в предположении, что из-за значительной усадки образца в продольном направлении проницаемость продуктов уменьшается, что препятствует фильтрации аргона через продукты, направляя поток газа к боковой поверхности цилиндрического реактора в образующийся фингер. Увеличение потока газа в узком канале вдоль боковой поверхности реактора в свою очередь вызывает увеличение видимой скорости и повышение температуры горения смеси на периферии образца. Проведенные эксперименты и расчеты показывают, что уменьшение размеров образца в продольном направлении обеспечивается перепадом давления фильтрующегося газа, а в поперечном сечении – действием сил поверхностного натяжения из-за градиента температуры.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

Б. Сеплярский

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Autor responsável pela correspondência
Email: seplb1@mail.ru
Rússia, Черноголовка

Р. Кочетков

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: numenor@list.ru
Rússia, Черноголовка

Т. Лисина

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: seplb1@mail.ru
Rússia, Черноголовка

Д. Васильев

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: seplb1@mail.ru
Rússia, Черноголовка

Bibliografia

  1. Harrison R.W., Lee W.E. Processing and Properties of ZrC, ZrN, and ZrCN Ceramics: A Review // Advances in Applied Ceramics. 2016. V. 115. № 5. P. 294.
  2. Ul-Hamid A. Microstructure, Properties, and Applications of Zr–Carbide, Zr–Nitride, and Zr–Carbonitride Coatings – A Review // Materials Advances. 2020. V. 1. P. 1012.
  3. Mathur S., Altmayer J., Shen H. Nanostructured ZrO2 and Zr–C–N Coatings from Chemical Vapor Deposition of Metal–Organic Precursors // Zeitschrift fur Anorganische und Allgemeine Chemie. 2004. Bd. 630. Hf. 12. S. 2042.
  4. Braic M., Braic V., Balaceanu M. et al. Structure and Properties of Zr/ZrCN Coatings Deposited by Cathodic Arc Method // Materials Chemistry and Physics. 2011. V. 126. № 3. P. 818.
  5. Harrison R., Ridd O., Jayaseelan D.D., Lee W.E. Thermophysical Characterization of ZrCxNy Ceramics Fabricated via Carbothermic Reduction–Nitridation // J. Nuclear Materials. 2014. V. 454. № 1–3. P. 46.
  6. Clavería I., Lostalé A., Fernández A. et al. Enhancement of Tribological Behavior of Rolling Bearings by Applying a Multilayer ZrN/ZrCN Coating // Coatings. 2019. V. 9. № 7. P. 434.
  7. Frank F., Tkadletz M., Czettl C., Schalk N. Microstructure and Mechanical Properties of ZrN, ZrCN, and ZrC Coatings Grown by Chemical Vapor Deposition // Coatings. 2021. V. 11. № 5. P. 491.
  8. Касимцев А.В., Юдин С.Н., Шуйцев А.В. и др. О возможности синтеза карбонитрида циркония при температуре 1200оС // Тенденции развития науки и образования. 2017. Т. 31. № 1. С. 46.
  9. Fernandes J.C., Amaral P.M., Rosa L.G. et al. X-ray Diffraction Characterization of Carbide and Carbonitride of Ti and Zr Prepared Through Reaction between Metal Powders and Carbon Powders (Graphitic or Amorphous) in a Solar Furnace // Int. J. Refractory Metals Hard Materials. 1999. V. 17. № 6. P. 437.
  10. Сеплярский Б.С., Тарасов А.Г., Кочетков Р.А. Исследование закономерностей горения гранулированной смеси Ti + 0.5C в потоке инертного газа // Хим. физика. 2013. Т. 32. № 6. С. 61.
  11. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г. и др. Фазовый состав и структурa продуктов синтеза карбида титана с никелевой связкой // Неорганические материалы. 2019. Т. 55. № 11. С. 1169.
  12. Vorotilo S., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Seplyarskii B.S., Kochetkov R.A., Abzalov N.I., Kovalev I.D., Lisina T.G., Zaitsev A.A. (Ti, Cr)C-based Cermets with Varied NiCr Binder Content via Elemental SHS for Perspective Cutting Tools // Crystals. 2020. V. 10. P. 412.
  13. Сеплярский Б.С., Абзалов Н.И., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г. Влияние содержания поливинилбутираля на режим горения гранулированной смеси Ti + C + xNi // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 3. С. 23.
  14. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г., Абзалов Н.И. Режимы горения гранулированной смеси Ti + C при различном содержании газифицирующейся добавки // ФГВ. 2021. Т. 57. № 3. С. 88.
  15. Seplyarskii B.S., Kochetkov R.A. Granulation as a Tool for Stabilization of SHS Reactions // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2017. V. 26. № 2. P. 134.
  16. Кочетов Н.А., Вадченко С.Г. Влияние времени механической активации смеси Ti + 2B на горение цилиндрических и ленточных образцов // ФГВ. 2015. Т. 51. № 4. С. 77.
  17. Сеплярский Б.С. Природа аномальной зависимости скорости горения безгазовых систем от диаметра // ДАН. 2004. Т. 396. № 5. С. 640.
  18. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г., Абзалов Н.И. Экспериментально-теоретическое определение коэффициента межфазового теплообмена при горении гранулированной СВС-смеси в потоке газа // ТВТ. 2022. Т. 60. № 1. С. 81.
  19. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А. Исследование закономерностей горения порошковых и гранулированных составов Ti + xC (x > 0.5) в спутном потоке газа // Хим. физика. 2017. T. 36. № 9. С. 23.
  20. Рогачев А.М., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. Введение в структурную макрокинетику. М.: Физматлит, 2012. 400 с.
  21. Шелудяк Ю.В., Кашпоров Л.Я., Малинин Л.А., Цалков В.Н. Теплофизические свойства компонентов горючих систем: Спр. М.: НПО Информ ТЭИ, 1992.
  22. Лариков Л.Н., Юрченко Ю.Ф. Структура и свойства металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1985.
  23. Зенин А.А., Мержанов А.Г., Нерсисян Г.А. Исследование структуры тепловой волны в СВС-процессах (на примере синтеза боридов) // ФГВ. 1981. Т. 17. № 1. С. 79.
  24. Мержанов А.Г., Рогачев А.С., Мукасьян А.С., Хусид Б.М. Макрокинетика структурных превращений при безгазовом горении смесей порошков титана и углерода // ФГВ. 1990. Т. 26. № 1. С. 104.
  25. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003.
  26. Костин С.В., Кришеник П.М., Шкадинский К.Г. Экспериментальное исследование режима неоднородного фильтрационного горения // ФГВ. 2014. Т. 50. № 1. С. 49.
  27. Мержанов А.Г., Мукасьян А.С., Постников С.В. Гидравлический эффект в процессах безгазового горения // ДАН. 1995. Т. 343. № 3. Р. 340.
  28. Прокофьев В.Г., Смоляков В.К. Термокапиллярная конвекция в волне безгазового горения // ФГВ. 2019. Т. 55. № 1. С. 100.
  29. Aldushin A.P., Matkowsky B.J. Instabilities, Fingering and the Saffman–Taylor Problem in Filtration Combustion // Combust. Sci. Technol. 1998. V. 133. № 4. P. 293.
  30. Алдушин А.П., Ивлева Т.П. Моделирование гидродинамической неустойчивости фильтрационного режима распространения фронта горения в пористой среде // ФГВ. 2015. Т. 51. № 1. С. 125.
  31. Алдушин А.П., Браверман Б.Ш. Проблема Саффмана–Тэйлора в фильтрационном горении // Хим. физика. 2010. T. 29. № 10. С. 47.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. 1. Diagram of the experimental setup: 1 – argon cylinder; 2 – nitrogen cylinder; 3, 4 – argon and nitrogen flow sensors at the inlet; 5 – flow sensors at the outlet of the reactor; 6, 7 – gas pressure sensors at the reactor inlet; 8 – gas pressure sensor at the outlet from the reactor; 9 – gas switch (I – nitrogen, II – argon, III – supply is blocked); 10 – tungsten spiral; 11 – charge; 12 – substrate; 13 – digital video camera; 14 – computer for recording data from sensors and video cameras.

Baixar (134KB)
Metadados
3. Fig. 2. Appearance of the initial granular charge (a) in a quartz tube and in a quartz tube with a metal mesh insert (b).

Baixar (99KB)
Metadados
4. Fig. 3. Gorenje rates of granular mixture Zr + 0.5C in argon flow: 1 – experiment, 2 – calculations according to TFG.

Baixar (68KB)
Metadados
5. Fig. 4. Photograph of a granular charge at the boundary with a quartz tube: 1 – granular charge with D = 1.1 mm, 2 – quartz tube wall.

Baixar (53KB)
Metadados
6. Fig. 5. Dependence of the pressure drop range ∆Pc on hot synthesis products during combustion at different argon flow rates. Gorenje

Baixar (100KB)
Metadados
7. 6. Schematic representation of the process of combustion of granular mixtures in an argon stream with the formation of a finger: 1 – burnt granules, 2 – burnt granules in the subsurface layer, 3 – burning granules in the center of the sample, 4 – burning granules in the subsurface layer, 5 – the initial granular mixture; arrows – the direction of gas movement in the reactor.Gorenje

Baixar (94KB)
Metadados
8. Fig. 7. Dependence of the combustion rate of the granular mixture Zr + 0.5C in the argon stream on the volume flow rate of the gas: 1 – experiment; 2, 3 – calculations for gas filtration through a gap with an area of Sx: 2 – by Gorenje (1), (2); 3 – by (8).

Baixar (64KB)
Metadados
9. 8. X-ray images of the synthesis products of a granular mixture of Zr + 0.5C without a gas stream (1) and in an argon stream with 1000 l/h (2).

Baixar (54KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024