Моделирование режимов превращения, реализующихся при соединении материалов с использованием синтеза в твердой фазе

• Автор: Чащина, Анна Александровна
• Шифр специальности: 01.02.04, 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Введение Содержание
Глава 1 Соединение материалов с использованием синтеза в твердой фазе
1.1 Способы соединения материалов
1.2 Основные понятия
1.3 Тепловой взрыв
1.4 Твердофазное горение
1.5 Инициирование реакции с поверхности
1.6 Горение слоевых систем
1.7 Заключение
Глава 2 Постановка задачи
2.1 Общие соотношения
2.2 Формулировка задачи о тепловом взрыве в толстостенном сосуде
2.2.1 Физическая постановка задачи
2.2.2 Формулировка задачи в безразмерных переменных
2.3 Модель соединения материалов в режиме горения
2.3.1 Физическая формулировка задачи
2.3.2 Формулировка задачи в безразмерных переменных
2.4 Заключение
Глава 3 Численное исследование задачи о воспламенении реакционной
3.1 смеси в сосуде с толстыми стенками О точности численного счета
3.2 Выбор критерия для определения критических условий
3.3 Влияние доли инертного наполнителя на режимы превращения
3.4 Влияние параметров модели на критические характеристики
3.5 Возможные режимы превращения экзотермического состава с
3.6 инертным наполнителем, имеющим низкую температуру плавления Влияние параметров на критические характеристики в модели с
3.7 плавлением Заключение
Глава 4 Численное исследование различных режимов превращения в слое
4.1 между двумя инертными пластинами при поджигании с торца Выбор объекта исследования
4.2 Алгоритм численного решения задачи
4.3 О точности численного счета
4.4 Режимы превращения, реализующиеся при соединении
4.5 материалов в режиме горения Влияние доли инертного наполнителя на режимы превращения
4.6 Влияние параметров модели на режимы превращения.
4.7 Численное исследование задачи горения при импульсном
4.8 действии источника Заключение
Глава5 Напряжения в зоне реакции в процессе соединения материалов с
5.1 использованием синтеза в твердой фазе Формулировка задачи
5.2 Оценка напряжений в задаче о тепловом воспламенении в сосуде с

толстыми стенками
5.3 Оценка напряжений в задаче горения
5.4 Заключение
Главаб Задача о термомеханической устойчивости фронта твердофазного
горения в слое между двумя инертными пластинами
6.1 Математическая постановка задачи
6.2. Решение стационарной задачи в приближении узкой зоны реакции
6.3 Формулировка и решение задачи для возмущений
6.4 Анализ результата
6.5 Задача о термомеханической устойчивости фронта твердофазного
горения в слое между двумя инертными пластинами с учетом различия коэффициентов теплового расширения реагента и продукта
6.5.1 Формулировка задачи
6.5.2 Решение стационарной задачи в приближении узкой зоны реакции
6.6 Заключение
Основные результаты и выводы
Список литературы
Актуальность темы.
Диссертационная работа актуальна, поскольку посвящена решению практически важной задачи - изучению режимов превращения, реализующихся в процессе соединения материалов с использованием энергии химических реакций. В настоящее время соединение материалов вызывает большой интерес у технологов в связи с появлением и использованием новых материалов. Для разработки и оптимизации технологий важно иметь представление о физических и механических процессах, сопровождающих химические превращения, приводящие к формированию соединительных швов. Поскольку экспериментальные исследования в этой области весьма дорогостоящие, большое значение приобретает математическое моделирование. Использование подходов к построению технологических моделей, развитых в механике и макрокинетике, позволяет успешно решать сложные задачи. Представленная в работе совокупность теоретических исследований имеет большое практическое приложение для оптимизации как существующих, так и вновь развивающихся технологий соединения металлических и неметаллических материалов и включает: физически обоснованную формулировку и результаты исследования математических моделей соединения материалов в режиме теплового взрыва и в режиме горения в условиях плоской деформации; оценку механических напряжений в зоне реакций; исследование термомеханической устойчивости фронта реакций в соединительном шве.
Цель работы:
Провести теоретические исследования возможных режимов превращения экзотермической смеси, используемой для соединения инертных материалов при варьировании технологических условий. Установить макроскопические закономерности развития реакции в твердой фазе в условиях сопряженного теплообмена. Выделить область параметров, в которой могут реализовываться режимы превращения, приводящие к наиболее благоприятным условиям синтеза соединительного шва.
Для достижения цели решены следующие задачи:
1. Формулировка математической модели, учитывающей основные явления, определяющие формирование шва;
2. Выбор вариантов граничных условий, соответствующих условиям технологии;
3. Проведение подробного параметрического исследования сформулированных частных задач с целыо выработки рекомендаций для проведения последующих экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
В диссертационной работе впервые
1. Сформулирована задача о соединении материалов с использованием энергии твердофазной химической реакции в условиях однородного нагрева и плоской деформации в начальный момент времени в сопряженной постановке.
2. Численно исследовано влияние теплофизических свойств стенок сосуда на критические условия, разделяющие разные режимы превращения соединительной смеси.

При уменьшении параметра сглаживания Б от 15 до 1 качественное поведение кривых 0 и а меняется существенно. При 5 = 1 на кривой 0(т) появляется плато, соответствующее плавлению инертного наполнителя, что качественно отвечает физической ситуации. Дальнейшее уменьшение 5 не меняет результата определения 0 и а. Аналогичным образом подбирается параметр сглаживания в области других параметров модели.
Если инертный наполнитель не плавится, то при 8 > 8. происходит «воспламенение» - температура в центре реагента резко возрастает, а степень превращения а—» 1. При 8 < 8« температура падает после небольшого повышения, и реакция прекращается, едва начавшись. Чем ближе 8 < 8* к критическому значению, тем выше степень превращения. Это иллюстрируют сплошные кривые на рис. ЗЛО, а, б.
При учете плавления инертного наполнителя при 8, не очень далеких от 8* (8 > 8* X синтез материала соединительного шва может реализоваться непосредственно при температуре, близкой к 0р/,, что видно из анализа
пунктирных температурных (рис.3.10, а) и концентрационных кривых (рис.3.10, б). Скорость превращения замедляется, что очевидно, связано с затратами тепла на плавление. На рис.3.10 критическое значение 8* при учете плавления наполнителя разделяет режимы «превращения» без резкого роста температуры и режим «потухания», когда превращение не происходит полностью.
а б
Рис. 3.10. Зависимость температуры (а) и степени превращения (б) от времени для разных д и параметров г = О.З;0о =15; 5 = 0.5 ;Кс = Кх = ВС = = 1;у = 0.03; [5 = 0.03;
сплошные кривые соответствуют расчетам без учета плавления [дрИ = о),
пунктирные - с учетом плавления инертного наполнителя [О'рЦ = 3; ()= 2.5 8 = 1. - 8; 2. - 4; 3. - 2.8; 4. - 2.5; 5. - 2.45; 6. - 2.4; 7. - 2.2; 8. - 2;
При малых значениях 0О и плавлении инертного наполнителя принципиально можно выделить два критических значения 8 (слабо отличающихся между собой). Первое значение 8«1 разделяет «превращение» в условиях резкого роста