Экспериментально-теоретические фундаментальные исследования высокотемпературных гетерогенных процессов различной природы методами структурной макрокинетики

Структурная макрокинетика является комплексным научным направлением исследования высокотемпературных гетерогенных процессов, включающим в себя химическую кинетику, тепло- и массоперенос, а также процессы формирования структуры продуктов на всех уровнях (макроструктура, микроструктура, атомно-кристаллическая структура). Такой подход позволяет наиболее полно изучить механизмы различных процессов, как природных, так и технологических. Развитие структурной макрокинетики имеет решающее значение, в частности, для управления процессами горения и теплового взрыва, для высокотемпературного синтеза перспективных материалов и многих других практически важных процессов. Процессы горения являются широко распространенным природным явлением и играют решающую роль во многих современных промышленных и перспективных технологиях. Изучение фундаментальных механизмов и закономерностей этих процессов, создание путей их эффективного управления является актуальной задачей современной науки. Методы структурной макрокинетики дают эффективный инструмент для решения этой проблемы в различных отраслях науки и техники. Все исследуемые в рамках данной научной темы процессы можно разделить на четыре основных класса. Первые три относятся к классической науке о горении и включают в себя: горение безгазовых систем, фильтрационное горение и горение газовых смесей и газовзвесей. Четвертый класс – процессы структурных и фазовых превращений в экстремальных условиях, характерных для волн горения. Комплексное решение этих четырех классов задач имеет решающее значение не только для развития научных основ промышленных, аэрокосмических, транспортных технологий, для создания новых материалов с уникальной структурой и свойствами, но и для обеспечения безопасности в различных отраслях промышленности и для борьбы с природными пожарами. Это определяет высокий потенциал практического применения результатов исследований в науке, технике и промышленности. Теория горения уделяет значительное внимание технологическим аспектам, когда наряду с энергетическими показателями горения гетерогенных систем важным фактором является качество получаемого целевого продукта. Явления распространения фронта горения в безгазовых и пористых средах до сих пор привлекает внимание исследователей. Научный интерес к горению этого класса систем возникает в ответ на запросы практики, активно включающий процессы горения гетерогенных систем в технологические схемы различных производств. При распространении фронта горения происходит синтез новых продуктов за счет экзотермического химического взаимодействия без дополнительного подвода тепла извне. Однако при всей внешней простоте осуществление качественного синтеза требует понимания макрокинетики процесса и возможностей управления им. Целью научно-исследовательской работы является развитие фундаментальных основ общей и структурной макрокинетики путем экспериментального и теоретического исследования процессов различной природы, прежде всего: процессы горения и теплового взрыва, а также другие высокотемпературные и автоволновые процессы. В результате проведенной в 2021 году НИР получен ряд новых результатов, способствующих развитию этого перспективного научного направления. Они охватывают широкий круг актуальных научных задач, имеющих перспективное прикладное значение. Проведена экспериментальная проверка конвективно-кондуктивной модели горения безгазовых систем, определено влияния добавок поливинилбутираля на горение гранулированных смесей, выявлен механизм сгорания гранул. Численными и экспериментальными методами исследован процесс прохождения волной безгазового горения преграды, выявлены механизмы образования многоочаговых структур волн горения. Показана перспективность синтеза нитрида титана в реакторе непрерывного действия. Экспериментально исследовано горение многослойных термитных нанопленок, в которых обнаружен новый режим горения, ранее не наблюдавшийся. С помощью экспериментального моделирования турбулентного горения перемешанных газовых смесей, в том числе при наличии гетерогенного катализа, установлены закономерности, позволяющие разработать методы регулирования и повышения безопасности данного процесса. Осуществлен синтез в режиме горения, исследована структура, термическая стабильность и свойства ряда практически важных материалов, включая высокоэнтропийный карбид (TiTaNbZrHf)С5, селенид меди, интерметаллидные соединения (в том числе фазы Гейслера), карбид бора, сульфиды CoS и NiS и др. Проведено дальнейшее усовершенствование уникальной лабораторной методики динамической рентгенографии быстропротекающих высокотемпературных процессов. Установка оборудована новой камерой с печью сопротивления, позволяющей проводить длительный нагрев конденсированных веществ на воздухе при температуре до 800℃. Это еще более расширило диапазон научно-технических задач, для решения которых применяется данная методика. Таким образом, проведенные в 2021 году исследования и полученные результаты позволяют достигнуть заметного прогресса в развитии научного направления «структурная макрокинетика».