Неизотермические волновые процессы и синтез пористых металлокерамических материалов

Термокапиллярное течение расплава в пористой среде, вызванное градиентом поверхностного натяжения, оказывает существенное влияние на скорость распространения волны гетерогенной химической реакции, интенсифицирует тепло- и массообмен, определяет морфологию пористой структуры продуктов высокотемпературного синтеза металлокерамических материалов. Построена и исследована физико-математическая модель процесса безгазового горения бинарной смеси с учетом термокапиллярного течения расплава металлического реагента. Выявлены основные режимы распространения волны синтеза в зависимости от массовых концентраций компонентов и исходной пористости смеси. Результаты теоретических расчетов на качественном уровне коррелируют с известными экспериментальными данными по горению двухэлементных безгазовых систем. Экспериментальное исследование высокотемпературного горения биметаллических нитей Ti/Al и Cu/Al на воздухе при нормальном давлении показало, что кинетика горения контролируется капиллярным массопереносом в расплавах металлов. С использованием высокоскоростной видеосъемки, динамической спектрометрии было установлено, что эффективная максимальная температура процессов реализуется в диапазоне 2400 ÷ 5350 К, а скорость горения находится в диапазоне 0,26 ÷ 1,2 м/с. Выполнено комплексное теоретико-экспериментальное исследование фронтального режима горения слоевой композиции Ni+Al/Cu/ Ni+Al и найдены критические условия прохождения волной горения инертной преграды в виде медного слоя– эффект «туннелирования». Разработана нестационарная трехмерная математическая модель высокотемпературного синтеза безгазовых систем с учетом плавления одного из компонентов смеси для образца в форме стержня прямоугольного сечения, с помощью которой выявлены и описаны периодические спиновые режимы горения. Разработана трехмерная математическая модель высокотемпературного синтеза слоевых металлокомпозитов, получаемых из образцов в виде стержней прямоугольного сечения – система плоских теплосопряженных слоев. Слои выполнены из реакционных смесей, отличающихся кинетическими и теплофизическими характеристиками: донорные и акцепторные смеси. В результате численных расчетов обнаружены и описаны стационарные и нестационарные периодические режимы волнового высокотемпературного синтеза. Распространение нестационарной волны безгазового горения идет преимущественно через образование и взаимодействие лидирующих очагов реакции, распространяющихся по сложным пространственным траекториям. Выполнено математическое моделирование высокотемпературного синтеза донорно-акцепторной смеси, имеющей ячеистую стохастическую или упорядоченную структуру. Размер ячейки определяет фрагментацию волны горения. Найдены пределы горения ячеистой системы в условиях внешнего теплоотвода с поверхности образца: увеличение размеров элементарной ячейки способствует расширению пределов горения образца. Проведено исследование, направленное на разработку метода получения тонкослойных металлокерамических покрытий. Такие покрытия перспективны для использования в плоских нагревательных элементах и в теплозащитных покрытиях. Предложен способ получения электропроводящих покрытий на основе меди и боросиликатного стекла с использованием технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Проведены экспериментальные и теоретические исследования волнового синтеза в системе никель-алюминий-медь с целью изучения механизма и глубины проникновения расплава меди в никель-алюминиевую матрицу. Данные рентгенофазового анализа показали, что в области растекания расплава меди образуется твердый раствор меди в никель-алюминиевой матрице, что указывает на факт взаимодействия меди с матрицей. Экспериментально и теоретически определены критические условия синтеза слоевого металлокомпозита NiAl/Cu/NiAl из порошковых смесей в зависимости от толщины внутреннего медного слоя. Выполнено комплексное исследование механизмов горения реакционных смесей в режиме «химической печки» в трехслойном образце Ni-Al/Ti-Co/Ni-Al. Установлена критическая толщина внутреннего слоя, при которой высокотемпературный синтез в смеси внутреннего слоя становится невозможен при фиксированных размерах донорных слоев. Предлагаемая экспериментальная методика и математическая модель горения слоевой системы могут быть применены для оценки оптимальных условий синтеза металлокомпозитов во фронтальном режиме горения. Применительно к проблеме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза функционально-градиентных материалов экспериментально и расчетно-теоретически исследовано получение интерметаллидного соединения в смеси порошков Ni+Al+Al2O3 с внутренней металлической пластиной, ориентированной по направлению распространения волны горения. Рассмотрены варианты пластины из меди титана и стали. Установлены закономерности распространения фронта экзотермической реакции в зависимости от теплофизических характеристик внутреннего слоя металла. Для образцов с медной пластиной происходит растяжение фронта горения вблизи контактной границы в направлении движения волны горения. Увеличение средней скорости горения образца с эффектом рекуперации тепла наблюдается при использовании пластины из меди толщиной 1-3 мм. При горении образцов с титановой и стальной пластинами происходит торможение распространения волны горения вдоль контактной границы. Экспериментально и расчетно-теоретически рассмотрены особенности распространения волны высокотемпературного синтеза через перфорированную металлическую пластину, установленную внутри образца цилиндрической формы, сформированного из порошковой смеси Ni+Al. Использовались два типа пластин различной толщины: медные и стальные. Исследованы закономерности прохождения фронта экзотермической реакции через отверстие преграды в зависимости от теплофизических характеристик пластины и геометрических размеров отверстия. В зависимости от параметров пластины определен критический диаметр отверстия, минимально необходимый для распространения волны горения по образцу. Исследована динамика синтеза в зависимости от доли активированного порошка при различных значениях параметров предварительной механоактивации. Получены аналитические формулы для приближенных оценок температуры и времени синтеза в неактивированном и активированном составах.