Помощь студентам в учебе
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНДЕНСАЦИОННЫХ И АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОПИТКЕ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
|
Введение 4
Глава 1. Общая характеристика работы и введение в
область исследований 6
1.1 Краткое описание структуры диссертационной работы 6
1.2 Литературный обзор по тематике диссертации 14
1.2.1 Методы и технологии производства композиционных
материалов 14
1.2.2 Условие силицирования парами кремния 21
1.2.3 Коэффициенты конденсации и испарения 29
1.2.4 Аналогия с влагонасыщением твердых материалов 33
Глава 2. Парожидкофазный метод объемного
силицирования пористой среды 37
2.1 Постановка задачи и вывод основных уравнений 37
2.2 Метод решения нелинейной задачи 48
2.3 Результаты расчетов диффузионной задачи 49
2.4 Учет слабой прокачки и тепловыделения 54
Глава 3. Изотермическая пропитка пористого
материала суспензиями наноразмерных частиц 70
3.1 Постановка задачи и основные уравнения 70
3.1.1 Краткое обсуждение эксперимента 70
3.1.2 Специфика адсорбции при больших скоростях фильтрации 76
3.1.3 Метод численного решения 82
3.1.4 Результаты численного моделирования 85
3.1.5 Два предельных случая. Аналитическое решение 91
3.2 Влияние малых возмущений на динамику мобильной примеси и
эволюция распределения иммобильного компонента 97
3.3 Влияние критической скорости отрыва 102
3.4 Рамки применимости рассматриваемой модели 106
Глава 4. Изотермическая пропитка образца пористого
материала в виде цилиндрического слоя 109
4.1 Краевая задача в цилиндрической системе координат 109
4.1.1 Постановка задачи 109
4.1.2 Описание численной процедуры 113
4.2 Обсуждение результатов 115
5. Заключение 123
5.1 Основные результаты и выводы 123
5.2 Рекомендации к использованию 124
Список литературы 126
Глава 1. Общая характеристика работы и введение в
область исследований 6
1.1 Краткое описание структуры диссертационной работы 6
1.2 Литературный обзор по тематике диссертации 14
1.2.1 Методы и технологии производства композиционных
материалов 14
1.2.2 Условие силицирования парами кремния 21
1.2.3 Коэффициенты конденсации и испарения 29
1.2.4 Аналогия с влагонасыщением твердых материалов 33
Глава 2. Парожидкофазный метод объемного
силицирования пористой среды 37
2.1 Постановка задачи и вывод основных уравнений 37
2.2 Метод решения нелинейной задачи 48
2.3 Результаты расчетов диффузионной задачи 49
2.4 Учет слабой прокачки и тепловыделения 54
Глава 3. Изотермическая пропитка пористого
материала суспензиями наноразмерных частиц 70
3.1 Постановка задачи и основные уравнения 70
3.1.1 Краткое обсуждение эксперимента 70
3.1.2 Специфика адсорбции при больших скоростях фильтрации 76
3.1.3 Метод численного решения 82
3.1.4 Результаты численного моделирования 85
3.1.5 Два предельных случая. Аналитическое решение 91
3.2 Влияние малых возмущений на динамику мобильной примеси и
эволюция распределения иммобильного компонента 97
3.3 Влияние критической скорости отрыва 102
3.4 Рамки применимости рассматриваемой модели 106
Глава 4. Изотермическая пропитка образца пористого
материала в виде цилиндрического слоя 109
4.1 Краевая задача в цилиндрической системе координат 109
4.1.1 Постановка задачи 109
4.1.2 Описание численной процедуры 113
4.2 Обсуждение результатов 115
5. Заключение 123
5.1 Основные результаты и выводы 123
5.2 Рекомендации к использованию 124
Список литературы 126
С развитием цивилизации материаловедение становится все более сложной, разветвленной и востребованной наукой. В настоящее время разные цели применения новых материалов и технологические приемы их получения объективно привели к тому, что эту науку уже нельзя рассматривать, как единое целое. Содержание и объемы накопленных знаний о таких разных субстанциях как металлы, полимеры, полупроводниковые материалы, керамика, стекла, жидкие кристаллы, композиты и т.д., сильно отличаются друг от друга. Каждая из наук, о перечисленных выше материалах, характеризуется своими методами исследования, областью практического применения и технологией создания из них изделий. Тем не менее, все эти направления, даже самые традиционные, имеющие многовековую историю, сегодня активно развиваются. По причине общей логики накопления и систематизации знаний об окружающем нас мире среди упомянутых выше дисциплин можно выделить классические, такие как физика металлов, и относительно молодые, возникшие значительно позднее. Их появление ознаменовало собой очередной этап в развитии науки о материалах и стало возможным в связи с появлением новых потребностей и технических возможностей человечества. Одним из таких сравнительно молодых направлений является наука о композиционных материалах, развитие которой в последние десятилетия тоже ушло далеко вперед, так что внутри нее также появилось достаточно много ответвлений.
Если в первом приближении проанализировать данное направление материаловедения, то можно увидеть, что ввиду крайней сложности изучаемого объекта, наибольшее число работ по композиционным материалам имеет экспериментальный или сразу прикладной характер. Исторически старт и дальнейшее развитие этого направления состоялись в рамках парадигмы такой науки как техническая химия. Благодаря применению специфических подходов, принятых в химической технологии, методом проб и ошибок проводились экспериментальные исследования, накапливались знания о сложных многоступенчатых химических превращениях, протекающих в производственных процессах, и в дополнение все это одновременно внедрялось на практике.
Сегодня наука о композиционных материалах имеет колоссально большое число приложений. Без современных композиционных материалов не обходится ни одна отрасль промышленности [1]. В настоящее время эти материалы востребованы в авиастроении и космической индустрии, кораблестроении, строительстве, автомобильной промышленности,
биомедицинских приложениях и т.д. Повсеместно, где есть запрос на изделия с уникальными и зачастую противоречивыми свойствами, внедряются композиционные материалы, которые и создаются, чтобы отвечать требуемым характеристикам [2].
Однако в последние годы, чтобы производить современные высококачественные композиционные материалы, удовлетворяющие все более и более строгим критериям, уже недостаточно знаний только фундаментальной химии и простых инженерных оценок. Для того, чтобы соответствовать высокотехнологичным запросам промышленности, требуется комплексное применение экспериментальных и теоретических методов исследования и глубокие знания из самых разных областей фундаментальной математики, физики и химии.
Иными словами, в настоящее время по большей части отсутствуют физически обоснованные, строгие математические модели, объясняющие из фундаментальных первопринципов особенности тех или иных нетривиальных физических явлений, которые сопутствуют тому или другому технологическому процессу. К сожалению, фундаментальная физика пока практически не касалась многих проблем, с которыми имеют дело химики- технологи, в результате чего в производстве часто имеет место неконтролируемый брак, бывает заведомо не достигается требуемое качество изделия или непонятны принципы создания нового заказываемого материала с желаемыми свойствами. Тем не менее, представляется, что следует настойчиво двигаться в этом направлении, результатом чего и является предлагаемая диссертационная работа, которая посвящена разработке новых физико-математических моделей для количественного описания определенных наукоемких технологических процессов по созданию, так называемых, высокотемпературных углерод-углеродных композиционных материалов.
Если в первом приближении проанализировать данное направление материаловедения, то можно увидеть, что ввиду крайней сложности изучаемого объекта, наибольшее число работ по композиционным материалам имеет экспериментальный или сразу прикладной характер. Исторически старт и дальнейшее развитие этого направления состоялись в рамках парадигмы такой науки как техническая химия. Благодаря применению специфических подходов, принятых в химической технологии, методом проб и ошибок проводились экспериментальные исследования, накапливались знания о сложных многоступенчатых химических превращениях, протекающих в производственных процессах, и в дополнение все это одновременно внедрялось на практике.
Сегодня наука о композиционных материалах имеет колоссально большое число приложений. Без современных композиционных материалов не обходится ни одна отрасль промышленности [1]. В настоящее время эти материалы востребованы в авиастроении и космической индустрии, кораблестроении, строительстве, автомобильной промышленности,
биомедицинских приложениях и т.д. Повсеместно, где есть запрос на изделия с уникальными и зачастую противоречивыми свойствами, внедряются композиционные материалы, которые и создаются, чтобы отвечать требуемым характеристикам [2].
Однако в последние годы, чтобы производить современные высококачественные композиционные материалы, удовлетворяющие все более и более строгим критериям, уже недостаточно знаний только фундаментальной химии и простых инженерных оценок. Для того, чтобы соответствовать высокотехнологичным запросам промышленности, требуется комплексное применение экспериментальных и теоретических методов исследования и глубокие знания из самых разных областей фундаментальной математики, физики и химии.
Иными словами, в настоящее время по большей части отсутствуют физически обоснованные, строгие математические модели, объясняющие из фундаментальных первопринципов особенности тех или иных нетривиальных физических явлений, которые сопутствуют тому или другому технологическому процессу. К сожалению, фундаментальная физика пока практически не касалась многих проблем, с которыми имеют дело химики- технологи, в результате чего в производстве часто имеет место неконтролируемый брак, бывает заведомо не достигается требуемое качество изделия или непонятны принципы создания нового заказываемого материала с желаемыми свойствами. Тем не менее, представляется, что следует настойчиво двигаться в этом направлении, результатом чего и является предлагаемая диссертационная работа, которая посвящена разработке новых физико-математических моделей для количественного описания определенных наукоемких технологических процессов по созданию, так называемых, высокотемпературных углерод-углеродных композиционных материалов.
1. Аналитически и численно исследованы основные механизмы
закупорки пор композитного материала при высокотемпературной обработке парами кремния. Показано, что заполнение пор проходит по определенному сценарию: быстрые атомы газообразного кремния заходят в поры,
происходят многочисленные столкновения атомов со стенками пор. В ходе соударений атомы отдают свою энергию материалу и, в конечном счете, прилипают к стенкам пор, т.е. на макроскопическом уровне идет конденсация. В результате обмена тепловой энергией с углеродным волокном возможна химическая реакция с образованием карбида кремния. Проведено вычисление скорости заполнения пор с учетом теплоты конденсации и слабого продува. Получены профили концентрации иммобильного компонента и пористости среды в продольном и поперечном сечениях образца. Дана оценка теплоты химической реакции между кремнием и углеродом.
2. Предложена модель изотермического массопереноса наночастиц суспензии в порах углеродного материала с учетом нелинейного отклика на уменьшение проницаемости среды. Показано, что при соответствии суспензий свойствам, заявленным в техническом паспорте, основным механизмом закупорки пор является физическая сорбция, т.е. взаимодействие частиц со стенкой обеспечивается силами Ван-дер-Ваальса. Предложен метод решения задачи, составлен компьютерный код на языке программирования Fortran-90, моделирующий проникновение суспензии в образцы прямоугольной и цилиндрической формы.
3. Результаты многопараметрических расчетов показывают, что основным фактором, влияющим на форму течения и процесс закупорки среды, является перепад давления на границах преформы. Показано, что с увеличением давления на входе скорость фильтрационного течения растет, но даже при очень больших перепадах в какой-то момент наступает насыщение пор наночастицами и фильтрационный процесс резко замедляется. Для того, чтобы добиться более или менее равномерного заполнения пор наночастицами, необходимо продолжать технологический процесс. Показано, что полное заполнение пор используемого композитного материала может быть достигнуто только на больших временах порядка нескольких десятков часов.
4. Проанализировано влияние концентрационно-конвективного
механизма на перераспределение примеси. Показано, что искажения, возникающие вследствие гравитационного перераспределения примеси, а также вносимые в поток малые возмущения сглаживаются, а закупорка с течением времени становится более равномерной по толщине образца.
5.2 Рекомендации к использованию
По результатам численного моделирования процесса
высокотемпературного силицирования пористых углеродных сред парожидкофазным методом можно дать определенные рекомендации по совершенствованию технологии производства крупногабаритных изделий из композитных материалов. Чтобы в ходе процесса изготовления избегать брака в виде появления отдельных областей, недостаточно пропитанных кремнием, необходимо разработать технологию строгого контроля за распределением температуры вдоль всей поверхности образца, т.к. именно этот термодинамический параметр полностью отвечает за предрасположенность паров кремния к конденсации на внутренних стенках пор материала. Увеличение концентрации газообразного кремния в рабочем пространстве печи, где происходит силицирование изделия, не является критическим параметром для успешной реализации процесса заполнения пор. Даже притом, что пары кремния достаточно далеки от насыщения, процесс силицирования будет продолжаться, если температура изделия меньше температуры фазового перехода.
Вторая часть диссертационного исследования, посвященная изотермической пропитке пористой среды наносуспензиями, также позволяет сформулировать некоторые предложения общего характера по осуществлению инвазивной технологии доставки дополнительных компонентов внутрь композитного материала. Помимо очевидного ограничения по размерам наночастиц для осуществления равномерного заполнения порового пространства необходимо принимать во внимание внутреннюю специфику фильтрационного процесса, которая объективно требует достаточно большого времени для осуществления полноценного массопереноса связующего компонента вглубь материала. Попытки увеличить разность давлений на входе и выходе могут привести лишь к нарушению целостности структуры композитного материала, что сразу отразится на прочностных характеристиках и, как следствие, долговечности изделия.
закупорки пор композитного материала при высокотемпературной обработке парами кремния. Показано, что заполнение пор проходит по определенному сценарию: быстрые атомы газообразного кремния заходят в поры,
происходят многочисленные столкновения атомов со стенками пор. В ходе соударений атомы отдают свою энергию материалу и, в конечном счете, прилипают к стенкам пор, т.е. на макроскопическом уровне идет конденсация. В результате обмена тепловой энергией с углеродным волокном возможна химическая реакция с образованием карбида кремния. Проведено вычисление скорости заполнения пор с учетом теплоты конденсации и слабого продува. Получены профили концентрации иммобильного компонента и пористости среды в продольном и поперечном сечениях образца. Дана оценка теплоты химической реакции между кремнием и углеродом.
2. Предложена модель изотермического массопереноса наночастиц суспензии в порах углеродного материала с учетом нелинейного отклика на уменьшение проницаемости среды. Показано, что при соответствии суспензий свойствам, заявленным в техническом паспорте, основным механизмом закупорки пор является физическая сорбция, т.е. взаимодействие частиц со стенкой обеспечивается силами Ван-дер-Ваальса. Предложен метод решения задачи, составлен компьютерный код на языке программирования Fortran-90, моделирующий проникновение суспензии в образцы прямоугольной и цилиндрической формы.
3. Результаты многопараметрических расчетов показывают, что основным фактором, влияющим на форму течения и процесс закупорки среды, является перепад давления на границах преформы. Показано, что с увеличением давления на входе скорость фильтрационного течения растет, но даже при очень больших перепадах в какой-то момент наступает насыщение пор наночастицами и фильтрационный процесс резко замедляется. Для того, чтобы добиться более или менее равномерного заполнения пор наночастицами, необходимо продолжать технологический процесс. Показано, что полное заполнение пор используемого композитного материала может быть достигнуто только на больших временах порядка нескольких десятков часов.
4. Проанализировано влияние концентрационно-конвективного
механизма на перераспределение примеси. Показано, что искажения, возникающие вследствие гравитационного перераспределения примеси, а также вносимые в поток малые возмущения сглаживаются, а закупорка с течением времени становится более равномерной по толщине образца.
5.2 Рекомендации к использованию
По результатам численного моделирования процесса
высокотемпературного силицирования пористых углеродных сред парожидкофазным методом можно дать определенные рекомендации по совершенствованию технологии производства крупногабаритных изделий из композитных материалов. Чтобы в ходе процесса изготовления избегать брака в виде появления отдельных областей, недостаточно пропитанных кремнием, необходимо разработать технологию строгого контроля за распределением температуры вдоль всей поверхности образца, т.к. именно этот термодинамический параметр полностью отвечает за предрасположенность паров кремния к конденсации на внутренних стенках пор материала. Увеличение концентрации газообразного кремния в рабочем пространстве печи, где происходит силицирование изделия, не является критическим параметром для успешной реализации процесса заполнения пор. Даже притом, что пары кремния достаточно далеки от насыщения, процесс силицирования будет продолжаться, если температура изделия меньше температуры фазового перехода.
Вторая часть диссертационного исследования, посвященная изотермической пропитке пористой среды наносуспензиями, также позволяет сформулировать некоторые предложения общего характера по осуществлению инвазивной технологии доставки дополнительных компонентов внутрь композитного материала. Помимо очевидного ограничения по размерам наночастиц для осуществления равномерного заполнения порового пространства необходимо принимать во внимание внутреннюю специфику фильтрационного процесса, которая объективно требует достаточно большого времени для осуществления полноценного массопереноса связующего компонента вглубь материала. Попытки увеличить разность давлений на входе и выходе могут привести лишь к нарушению целостности структуры композитного материала, что сразу отразится на прочностных характеристиках и, как следствие, долговечности изделия.
