ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования 2
Положение, выносимые на защиту 4
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 20
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 21
Актуальность проблемы. Взаимодействие газов с поверхностью материалов является одной из актуальных фундаментальных проблем. Результаты теоретических и экспериментальных исследований данной проблемы широко применяются при разработке микро- и наномасштабных газоуправляемых устройств и аэрокосмических аппаратов. Одними из наиболее используемых материалов для аэрокосмических технологий являются конструкционные материалы на основе кремния (боросиликаты, карбиды, оксиды), используемые в качестве термозащитных покрытий космических аппаратов многоразового использования.
Характер взаимодействия газов с поверхностью материалов, а также теплообмен в системе газ - твердое тело зависят от множества факторов, в частности, от природы (вида материала) и структуры поверхности, степени разреженности и ионизации газа, его природы, температуры системы и т.д. В условиях вхождения летательных аппаратов в атмосферу планет процесс теплообмена в значительной степени определяется реакциями рекомбинации атомов газа, протекающими на поверхности термозащитных покрытий. Например, при торможении космических летательных аппаратов многоразового использования в верхних слоях атмосферы Земли на высотах 70-75 км, в максимуме тепловой нагрузки, гетерогенная рекомбинация атомов азота и кислорода может обусловливать до 50 % потока тепла к поверхности [1].
Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена и реакций рекомбинации атомов в системе газ - твердое тело в условиях, имитирующих реальные, позволяет выявить характерные физические закономерности, получить необходимые для практических расчетов данные и на их основе построить адекватные модели процессов.
Настоящая работа посвящена решению проблемы тепло - и массоперено- са в системе газ - материалы на основе кремния при наличии реакций рекомбинации атомов. Поставленная задача решалась путем проведения физических и численных экспериментов, связанных с изучением влияния физико-химических свойств межфазной границы газ - твердое тело на рекомбинацию атомов и теплообмен с поверхностью.
Диссертационная работа выполнена в рамках исследований, продимых в отделе теплофизики и поверхностных явлений НИИ ФПМ при УрГУ по единому заказ-наряду, и программы PhD Young Fellowship INTAS No: 04-83-3394, при частичной поддержке Грантов АФГИР (грант № ЕК-005-Х1), INTAS No: 99-00749, INTAS/CNES No: 5117.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей работы является получение данных о влиянии рекомбинации атомов газа на поверхности кремнийсодержащих материалов на теп- ломассоперенос в системе «разреженный газ - твердое тело» и развитие модельных представлений о структуре и свойствах межфазной границы.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
• изучение морфологии и химического состава поверхности материалов на основе кремния с применением методов сканирующей зондовой микроскопии и электронной спектроскопии;
• изучение деградации поверхности вследствие взаимодействия её с потоком газа (воздушной и азотной плазмой);
• развитие модельных представлений о процессах взаимодействия кислорода и азота с поверхностью карбида кремния на основе полученных данных о микроструктуре и химическом составе поверхности;
• исследование влияния температуры и давления на рекомбинацию атомов кислорода на поверхности материалов на основе кремния;
• численное моделирование методом молекулярной динамики процессов, происходящих на поверхности материалов на основе кремния при взаимодействии с кислородом;
• обобщение данных о влиянии свойств межфазной границы «газ - твёрдое тело» на протекание реакций на поверхности и тепломассоперенос...
1. Выполнено исследование рекомбинации атомов кислорода и аккомодации химической энергии на поверхности карбида кремния. Получены коэффициенты рекомбинации и коэффициенты передачи энергии рекомбинации в температурном диапазоне 1000:1900 К при давлениях 400 и 1000 Па для системы «кислород - карбид кремния».
2. Выявлены особенности влияния температуры поверхности и давления газа на коэффициенты рекомбинации и аккомодации химической энергии атомов кислорода на поверхности карбида кремния. Экспериментально подтверждено, что коэффициент рекомбинации уменьшается с ростом давления.
3. Впервые реализован подход описания структуры поверхности материалов в экспериментах по исследованию обтекания тел потоком разреженного газа с использованием данных атомно-силовой микроскопии. Получены экспериментальные данные по деградации поверхности карбида кремния, испытанного при различных условиях в потоках воздуха и азота. Показано, что шероховатость поверхности карбида кремния, испытанного в потоке азота, существенно выше шероховатости поверхности, испытанной в потоке воздуха.
4. Проведено исследование взаимодействия атомов кислорода с поверхностью в- кристобалита методом классической молекулярной динамики. На основе данных численного моделирования проведен расчет коэффициента рекомбинации кислорода на поверхности в - кристобалита для двух различных потенциалов взаимодействия. Полученные данные совпадают с имеющимися экспериментальными данными в пределах погрешности.
5. Разработан программный продукт, позволяющий моделировать поведение газовых молекул при взаимодействии с поверхностью для конкретных систем на основе кремния, изменяя форму потенциала взаимодействия, структуру и температуру поверхности, начальное распределение газовых частиц, необходимое при рассмотрении определенных процессов.
