Наглядная модель СВС-реакции
Г.
С. БеловаБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Белова
Г.
С. Наглядная модель СВС-реакции // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
596–600. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86130.htm.
Аннотация. В данной статье рассмотрен способ получения материалов с помощью химической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Описаны достоинства технологии СВС и области применения СВС-материалов. Приведено сравнение протекания химической СВС-реакции с рабочим процессом четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.
Текст статьи
Белова Галина Сергеевна,
студент, ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», г. Самараgalya.belova.94@mail.ru
Наглядная модель СВС реакции
Аннотация. В данной статье рассмотренспособ получения материалов с помощью химической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Описаны достоинства технологии СВС и области применения СВСматериалов. Приведено сравнение протекания химической СВС реакции с рабочим процессом четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания. Ключевые слова: процессСВС,этапы химической реакции,двигатель внутреннего сгорания.
Технологический процесс СВС основанна проведении химической экзотермической реакции в режиме горения. Исходными реагентами реакции служат металлы, неметаллы и их соединения, способные выделять большое количество тепла.С помощью процесса СВС можно получить различные тугоплавкие соединения (нитриды, карбиды, бориды,силициды), металлические и композиционные материалы.Порошковая технология СВС включает в себя основные технологические стадии:
приготовление шихты из порошкообразных реагентов(расчет компонентов исходных шихт производится с учетом стехиометрического соотношения компонентов в системе);
проведение процессаСВС (сжигание шихтыв реакторе);
переработка продуктов горения (измельчение, промывка и т.д.). К основным технологическим параметрам для получения продуктов СВС относятся: температура, давление газа в реакторе, плотность исходной шихты, размер частиц исходного элемента, степень разбавления исходного элемента целевым продуктом.По технологииСВС можно получить разнообразныевиды материалов: порошки (частицы одинаковых или разных размеров), спечённые материалы (пористые и сплошные, поликристаллические литые материалы), плёнки, волокна, композиты и т.д.Также методом СВС получают многие классы материалов –абразивы и твёрдые сплавы, техническую керамику, азотированные ферросплавы, огнеупоры, катализаторы и многое другое[1].Изделия из СВСматериалов применяются:
в машиностроении (подшипники, клапаны, поршневые кольца, цилиндры, тепловая защита поршней, сердечники для закалки деталей,износостойкие покрытия);
в металлургии (втулки для выпуска металла, тигли, термопарные чехлы, элементы насосов, фильтры);
в теплотехнике (подставки, зажимы и приспособления, высокотемпературные электронагреватели, лодочки для обжига изделий, сопла газовых горелок, держатели нагревательных элементов, футеровка и подложка в обжиговых печах, пластины в трубах, коллекторы, диффузоры);
в химической промышлености (футеровочные плиты, износостойкие футеровки, торцовые уплотнения, сопловые вставки, электроды);
в электронной промышленности (фильеры, основа для микросхем);
в инструментальной промышленности (обрабатывающие инструменты: резцы, фрезы, абразивы);
в ракетной технике, космонавтике (в летательном аппарате: обтекатели головных частей, носовой конус, радиопрозрачные окна)[2].Технология СВС характеризуется:
высокой производительностью;
возможностью регулировать состав, структуру и свойства материалов;
низкими затратами электроэнергии;
экологической чистотой процесса;
получение нужного материала, с малым содержанием посторонних примесей;
высокими техническим и экономическим показателями по целому ряду ценных материалов и изделий для современной техники;
простотой управленияпроцессом [3]. СВС реакцияпротекаетв порошковой смесиреагентов, которую можно представить в видереакционных ячеек. Чтобы произошла реакция синтеза, сначала нужно нагреть реакционные ячейки. При нагревепорошковая смесь поглощаеттепло. В процессе нагревания реакционной смесипроисходит процесс повышения энергииячейки. Ячейка должна иметь большую удельную поверхность, чтобы обладать большой поверхностной энергией, для возможности поглощения теплаи в дальнейшем протеканияпроцесса горения системы.Процесс СВС можно разделить на несколько этапов:
нагревчастицот теплопередачичерез реакционные ячейки, при котором происходит повышение поверхностной энергии и поглощение тепла частицами;
нагрев частиц отсгорания предыдущей реакционной ячейки, при котором происходит повышение поверхностной энергии и поглощение тепла частицами;
горениереакционной ячейки, где происходит реакция с выделением тепла;
остываниереакционной ячейки, отдача тепла в окружающую среду.
Таким образом, можно сказать, что реакция СВС состоит из нескольких этапов, в которых происходят изменения температуры, давления,энергии реакционных ячеек.Протекание химической реакции СВС можно сравнить с работойчетырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания и покажем, что его рабочий цикл напоминает химическую реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в порошковой смеси. Автомобильные двигатели чаще всего работают по четырёхтактному циклу, который состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.Вчетырёхтактном двигателерабочий цикл происходит следующим образом:1.Впускной этап поршень двигается вниз, открывается впускной клапан, и в полость цилиндра поступает горючая смесь.2.Процесссжатия поршень движется вверх, оба клапана закрыты. При уменьшении объёма давление и температурарабочей смесиповышаются.3.Рабочий ход
рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается вниз.4.Выпускной этап продукты сгорания, вытесняютсяпоршнем, движущимся вверх, выбрасываются через выпускной клапан.Сравним процессы, протекающие в СВС реакции, с процессами, которые происходят при работе четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.
Рис.1.Схемыэтаповработы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания и протеканияхимической реакции СВС
Сравнение процессов показанона рисунке1. У классического четырёхтактного двигателясначала происходит впуск топлива и его разогрев,далее происходит сгорание топлива(химическая реакция) ивыпуск сгоревших газов–продуктов химической реакции.У СВС реакции аналогично,сначала происходитвступление реакционной ячейки в процесс, что похоже на первый этап работы двигателя, когда происходит впуск топлива. Далее происходит повышение температуры, что и происходит в двигателе при процессе сжатия. Самареакция является горением порошковойсмеси и является аналогомрабочего ходадвигателя. И остывание полученного СВСматериала, похоже на выпуск сгоревшего топлива и остывание двигателя.Таким образом, можно сказать, что рабочий процесс четырёхтактного двигателя внутреннего сгораниянапоминает процесс протекания экзотермической СВС реакции.
Ссылки на источники1.Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов [Текст]. / А.П.Амосов, И.П.Боровинская, А.Г.Мержанов –М: Машиностроение1, 2007.–567с.2.Косолапова, Т. Я. Неметаллические тугоплавкие соединения [Текст] / Т. Я. Косолапова, Т. В. Андреева, Т. С. Бартницкая и др. –М.: Металлургия, 1985. –244 с. 3.Амосов, А.П. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микрои нанопорошков нитридов [Текст]: монография / А.П. Амосов, Г.В. Бичуров. –М.: Машиностроение1, 2007. –526с.
Впуск Выпуск Сжатие Рабочий ход Вступление ОстываниеНагрев Горение
студент, ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», г. Самараgalya.belova.94@mail.ru
Наглядная модель СВС реакции
Аннотация. В данной статье рассмотренспособ получения материалов с помощью химической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Описаны достоинства технологии СВС и области применения СВСматериалов. Приведено сравнение протекания химической СВС реакции с рабочим процессом четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания. Ключевые слова: процессСВС,этапы химической реакции,двигатель внутреннего сгорания.
Технологический процесс СВС основанна проведении химической экзотермической реакции в режиме горения. Исходными реагентами реакции служат металлы, неметаллы и их соединения, способные выделять большое количество тепла.С помощью процесса СВС можно получить различные тугоплавкие соединения (нитриды, карбиды, бориды,силициды), металлические и композиционные материалы.Порошковая технология СВС включает в себя основные технологические стадии:
приготовление шихты из порошкообразных реагентов(расчет компонентов исходных шихт производится с учетом стехиометрического соотношения компонентов в системе);
проведение процессаСВС (сжигание шихтыв реакторе);
переработка продуктов горения (измельчение, промывка и т.д.). К основным технологическим параметрам для получения продуктов СВС относятся: температура, давление газа в реакторе, плотность исходной шихты, размер частиц исходного элемента, степень разбавления исходного элемента целевым продуктом.По технологииСВС можно получить разнообразныевиды материалов: порошки (частицы одинаковых или разных размеров), спечённые материалы (пористые и сплошные, поликристаллические литые материалы), плёнки, волокна, композиты и т.д.Также методом СВС получают многие классы материалов –абразивы и твёрдые сплавы, техническую керамику, азотированные ферросплавы, огнеупоры, катализаторы и многое другое[1].Изделия из СВСматериалов применяются:
в машиностроении (подшипники, клапаны, поршневые кольца, цилиндры, тепловая защита поршней, сердечники для закалки деталей,износостойкие покрытия);
в металлургии (втулки для выпуска металла, тигли, термопарные чехлы, элементы насосов, фильтры);
в теплотехнике (подставки, зажимы и приспособления, высокотемпературные электронагреватели, лодочки для обжига изделий, сопла газовых горелок, держатели нагревательных элементов, футеровка и подложка в обжиговых печах, пластины в трубах, коллекторы, диффузоры);
в химической промышлености (футеровочные плиты, износостойкие футеровки, торцовые уплотнения, сопловые вставки, электроды);
в электронной промышленности (фильеры, основа для микросхем);
в инструментальной промышленности (обрабатывающие инструменты: резцы, фрезы, абразивы);
в ракетной технике, космонавтике (в летательном аппарате: обтекатели головных частей, носовой конус, радиопрозрачные окна)[2].Технология СВС характеризуется:
высокой производительностью;
возможностью регулировать состав, структуру и свойства материалов;
низкими затратами электроэнергии;
экологической чистотой процесса;
получение нужного материала, с малым содержанием посторонних примесей;
высокими техническим и экономическим показателями по целому ряду ценных материалов и изделий для современной техники;
простотой управленияпроцессом [3]. СВС реакцияпротекаетв порошковой смесиреагентов, которую можно представить в видереакционных ячеек. Чтобы произошла реакция синтеза, сначала нужно нагреть реакционные ячейки. При нагревепорошковая смесь поглощаеттепло. В процессе нагревания реакционной смесипроисходит процесс повышения энергииячейки. Ячейка должна иметь большую удельную поверхность, чтобы обладать большой поверхностной энергией, для возможности поглощения теплаи в дальнейшем протеканияпроцесса горения системы.Процесс СВС можно разделить на несколько этапов:
нагревчастицот теплопередачичерез реакционные ячейки, при котором происходит повышение поверхностной энергии и поглощение тепла частицами;
нагрев частиц отсгорания предыдущей реакционной ячейки, при котором происходит повышение поверхностной энергии и поглощение тепла частицами;
горениереакционной ячейки, где происходит реакция с выделением тепла;
остываниереакционной ячейки, отдача тепла в окружающую среду.
Таким образом, можно сказать, что реакция СВС состоит из нескольких этапов, в которых происходят изменения температуры, давления,энергии реакционных ячеек.Протекание химической реакции СВС можно сравнить с работойчетырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания и покажем, что его рабочий цикл напоминает химическую реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в порошковой смеси. Автомобильные двигатели чаще всего работают по четырёхтактному циклу, который состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.Вчетырёхтактном двигателерабочий цикл происходит следующим образом:1.Впускной этап поршень двигается вниз, открывается впускной клапан, и в полость цилиндра поступает горючая смесь.2.Процесссжатия поршень движется вверх, оба клапана закрыты. При уменьшении объёма давление и температурарабочей смесиповышаются.3.Рабочий ход
рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается вниз.4.Выпускной этап продукты сгорания, вытесняютсяпоршнем, движущимся вверх, выбрасываются через выпускной клапан.Сравним процессы, протекающие в СВС реакции, с процессами, которые происходят при работе четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.
Рис.1.Схемыэтаповработы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания и протеканияхимической реакции СВС
Сравнение процессов показанона рисунке1. У классического четырёхтактного двигателясначала происходит впуск топлива и его разогрев,далее происходит сгорание топлива(химическая реакция) ивыпуск сгоревших газов–продуктов химической реакции.У СВС реакции аналогично,сначала происходитвступление реакционной ячейки в процесс, что похоже на первый этап работы двигателя, когда происходит впуск топлива. Далее происходит повышение температуры, что и происходит в двигателе при процессе сжатия. Самареакция является горением порошковойсмеси и является аналогомрабочего ходадвигателя. И остывание полученного СВСматериала, похоже на выпуск сгоревшего топлива и остывание двигателя.Таким образом, можно сказать, что рабочий процесс четырёхтактного двигателя внутреннего сгораниянапоминает процесс протекания экзотермической СВС реакции.
Ссылки на источники1.Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов [Текст]. / А.П.Амосов, И.П.Боровинская, А.Г.Мержанов –М: Машиностроение1, 2007.–567с.2.Косолапова, Т. Я. Неметаллические тугоплавкие соединения [Текст] / Т. Я. Косолапова, Т. В. Андреева, Т. С. Бартницкая и др. –М.: Металлургия, 1985. –244 с. 3.Амосов, А.П. Азидная технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза микрои нанопорошков нитридов [Текст]: монография / А.П. Амосов, Г.В. Бичуров. –М.: Машиностроение1, 2007. –526с.
Впуск Выпуск Сжатие Рабочий ход Вступление ОстываниеНагрев Горение
