Моделирование процессов CBC

09.07.2015

В рамках развитого метода компьютерного моделирования механохимических процессов в химически реагирующих порошковых системах, подвергнутых интенсивному механическому воздействию, исследование процесса CBC является обязательным этапом для каждой реагирующей порошковой системы. На этом этапе определяется согласующий макрокинетический параметр (предэкспоненциальный множитель) модели реакционной ячейки через сравнение с известными экспериментальными данными с различными концентрационными и структурными характеристиками, производится оценка достоверности результатов моделирования, исследуются факторы условий и режимов синтеза.
Процессы CBC также могут быть изучены в процессе вычислительного эксперимента, моделирующего физико-химические процессы в реагирующей порошковой смеси без внешнего механического воздействия, например синтез алюминидов никеля и меди. CBC в порошковой системе Ni-Al характеризуется энергией активации химических превращений Eq= 134 кДж/моль и начинает взаимодействовать при температуре, близкой к температуре плавления алюминия (925 К), а адиабатическая температура горения смеси может достигать температуры плавления образующегося алюминида никеля. Реакция синтеза выражается уравнением
Ni + Al = NiAl + Q при Q = 1377,983 кДж/кг.

В отсутствие механического воздействия горение в системе Cu-Al, стехиометричной для образования Cu1Al, инициируется при температуре 808 К и характеризуется энергией активации E0 = 180 кДж/моль. Уравнение реакции представляется в виде
3Cu + Al = Cu3Al + Q при Q = 315,9836 кДж/кг.

Проведен вычислительный эксперимент по моделированию механохимических процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni-Al для различных значений исходной концентрации разбавителя (Ni-Al) и начальных температур T0 — 298 и 740 К соответственно.
Все константы и функции, отражающие физические, теплофизические и механические свойства компонентов порошковой смеси, взяты из литературы.
Моделировались процессы горения порошковых систем Ni-Al и Cu-Al, разбавленных конечным продуктом. Рассмотрен реагирующий слой толщиной 0,02 м, образованный из частиц размером 50 мкм. Доля легкоплавкого компонента, сконцентрированная у передней грани реакционной ячейки, δ = 0,6. Концентрации компонентов по всему объему порошковых смесей полагались однородными (для гладкой функции распределения b/а = 1,25 и b/а = 0,9 для смесей Ni-Al и Cu-Al соответственно).
Результаты вычислительного эксперимента по определению скорости V горения системы Ni-Al в зависимости от концентрации разбавителя CNiAl для различных исходных температур представлены точками на рисунке 14 в сравнении с экспериментальными кривыми.
На рисунке 15 отражены аналогичные результаты моделирования процессов CBC в системе Cu-Al в сравнении с экспериментальными данными.
Моделирование процессов CBC

Как видно из представленных результатов, увеличение исходной концентрации инертного наполнителя приводит к уменьшению скорости горения. Результаты вычислительных экспериментов хорошо согласуются с экспериментальными данными.