Экспериментальное выявление особенностей распространения волн горения 2-го рода в конденсированных средах на примере системы Ti–C2H2O4

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено комплексное экспериментальное исследование особенностей распространения волн горения 2-го рода на примере системы Ti–C2H2O4. Определены температуры самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), скорости, тепловые эффекты, пределы горения, фазовый и химический состав продуктов. На основании полученных данных вычислены температура и глубина (полнота) превращения на поверхности горения. Обнаружено, что порошковая смесь титана со щавелевой кислотой способна гореть в широком интервале концентраций компонентов: 2–19 моль титана/моль кислоты. Выявлены два режима распространения волн горения 2-го рода: при содержании титана от 2 до 4 моль/моль щавелевой кислоты – дискретный, послойный, а при содержании титана >4 моль – фронтальный. Во всей проведенной серии экспериментов однофазными оказались лишь продукты, соответствующие составам исходных смесей 5Ti + С2Н2О4 и 6Ti + С2Н2О4. Показано, что в продуктах реакции оксалаты титана вида TiC2O4 и Ti2(C2O4)3 отсутствуют. Подтверждена возможность осуществления СВС в условиях, при которых скорости, температуры горения и тепловые эффекты реакции не будут симбатны между собой относительно их концентрационной зависимости.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Г. Тарасов

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: aleksei_tarasov@mail.ru
Россия, Черноголовка

И. А. Студеникин

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук

Email: aleksei_tarasov@mail.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Rogachev A.S., Mukasyan A.S. Combustion for Material Synthesis. Boca Raton: CRC Press, 2014. https://doi.org/10.1201/b17842
  2. Merzhanov A.G., Khaikin, B.I. // Prog. Energy Combust. Sci. 1988. V. 14. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1016/0360-1285(88)90006-8
  3. Merzhanov A.G., Rogachev A.S. // Pure Appl. Chem. 1992. V. 64. № 7. P.941.
  4. Prokof’ev V.G., Khudyakova T.I. // IOP Conf. Ser.: J. Phys. 2018. V. 1115. Issue 4. P. 3. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/4/042032
  5. Rogachev A.S., Vadchenko S.G., Mukasyan A.S. // Adv. Sci. Technol. 2014. V. 88. P. 85. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ast.88.85
  6. Сеплярский Б.С., Кочетков Р.А., Лисина Т.Г. и др.// Хим. физика. 2023. Т. 42. № 9. С. 11; https://doi.org/10.31857/S0207401X23090108
  7. Zuwei Xu, Haibo Zhao, Yijie Wei et al. // Combust. and Flame. 2015. V. 162. P. 3030. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2015.05.006
  8. Кришеник П.М., Костин С.В., Рогачев С.А. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 3. С. 73. https://doi.org/10.31857/S0207401X22030086
  9. Беляев А.А., Ермолаев Б.С. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 8. С. 3. https://doi.org/10.31857/S0207401X23080034
  10. Кочетов Н.А., Сеплярский Б.С. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 3. С. 23. https://doi.org/10.31857/S0207401X23030081
  11. Merzhanov A.G. // Combust. and Flame. 1969. V. 13. № 2. P. 143. https://doi.org/10.1016/0010-2180(69)90045-5
  12. Мержанов А.Г. // Докл. АН СССР. 1977. Т. 233. № 6. С. 1130.
  13. Иванов В.Г., Леонов С.Н., Гаврилюк О.В. и др. // Физика горения и взрыва. 1994. № 5. С. 54.
  14. Tarasov A.G., Studenikin I.A. // Intern. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2022. V. 31. № 3, Р. 154. https://doi.org/10.3103/S1061386222030086
  15. Klimchuk E.G., Tarasov A.G. // Combust. and Flame. 2018. V. 191. Р. 496. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.02.017p
  16. Tarasov A.G., Klimchuk E.G. // Proc. Intern. sci. conf. “Modern chemical physics at the intersection of physics, chemistry, and biology”. Chernogolovka, Russia: FRC PCP MC RAS, 2021. P. 90.
  17. Мержанов А.Г. Твердопламенное горение. Черноголовка: ИСМАН, 2000.
  18. Маслов В.М., Боровинская И.П., Мержанов. А.Г. // Физика горения и взрыва. 1976. № 5. С. 703.
  19. Климчук Е.Г., Аветисян Г.М., Минасян и др. // Изв. РАН. Сер хим. 1999. Т. 12. С. 2271.
  20. Mukasyan A.S., Shuck C.E. // Intern. J. Self-Propag. High-Temp. 2017. № 26. P. 145; https://doi.org 10.3103/S1061386217030049.
  21. Shuck C.E., Mukasyan A.S. Kinetics of Heterogeneous Self-Propagating High-Temperature Reactions. London: Advanced Chemical Kinetics, 2017. https://doi.org 10.5772/intechopen.70560
  22. Мержанов А.Г., Китаин M.M., Гольшлегер У.И. и др. // Докл. АН. СССР. 1977. Т. 237. № 2. С. 391.
  23. Филоненко А.К., Бунин В.А., Вершинников В.И. // Хим. физика. 1992. Т. 11. № 2. С. 260.
  24. Пономарев М.А., Щербаков В.А., Штейнберг А.С. // Докл. АН. СССР. 1995. Т. 340. № 5. С. 642.
  25. Seplyarskii B.S., Vadchenko S.G.// Dokl. Phys. Chem. 2004. V. 398. P. 203. https://doi.org/10.1023/B:DOPC.0000041487.87644.26
  26. Алямовский С.И., Зайнулин Ю.Г., Швейкин Г.П. Оксикарбиды и оксинитриды металлов IVA и VA подгрупп. М: Наука, 1981.
  27. Перов Э.И., Новоженов В.А. // Химия растит. сырья. 1997. № 1. С.29.
  28. Miller D., Abul A., Delpouve H. et al. // J. Mater. Chem. A. 2016. P. 1. https://doi.org/10.1039/C6TA00042H.
  29. Chappe J.M., Fernandes A.C., Moura C. et al. // Surf.Coat.Tech. 2012. № 206. P. 2525. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.11.005
  30. Huang K., Li Y., Xing Y. // J.Mater.Res. 2013. V. 28. P.454. https://doi.org/10.1557/jmr.2012.353
  31. Chase M.W., Jr. NIST–JANAF thermochemical tables. 4-th ed. J. Phys. Chem. Ref. Data. 1998.
  32. Wilhoit R.C., Shiao D. // J. Chem. Eng. Data. 1964. V. 9. № 4. P. 595. https://doi.org/10.1021/je60023a038
  33. Калмыков К.Б., Дмитриева Н.Е. Сканирующая электронная микроскопия и рентгено-спектральный анализ неорганических материалов. М: МГУ, 2017.
  34. Goldstein J.I., Dale E. et al. // Micros. Microanaly. 2018. V. 24. № 6. P. 768. https://doi.org/10.1017/S1431927618015271
  35. Машкинов Л.Б. // Завод. лаб. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. № 9. C. 48.
  36. Mashkinov L.B. // Researchgate. 2015. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2316.4001
  37. Шкадинский К.Г., Хайкин Б.И., Мержанов А.Г. // Физика горения и взрыва. 1971.№ 1. С.19.
  38. Королев Д.В., Суворов К.А., Шалин С.Г. Получение и обработка температурного профиля волны горения. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2004.
  39. Лучинский Г.П. Химия титана. М: Химия, 1971.
  40. Domalski E.S., Hearing E.D. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1996. V. 3. P.524. https://doi.org/10.1063/1.555985

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фотографии процессов горения смеси в различных режимах: а –дискретный послойный режим I. Смесь 2Ti + C2H2O4; б – фронтальный режим II, смесь 6Ti + C2H2O4.

Скачать (433KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость скорости горения U от отношения мольных долей исходных реагентов α = [Ti]/[C2H2O4]. Стрелкой отмечено максимальное значение параметра.

Скачать (27KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость температуры T от времени τ при различном отношении мольных долей исходных реагентов [Ti]/[C2H2O4]. Кривые 1–6 соответствуют содержанию титана в исходной смеси, равному 3, 6, 9, 12, 15 и 18 моль соответственно. Стрелкой отмечено максимальное значение параметра. Квадратами обозначены области достижения поверхностью горения термопар (Ts).

Скачать (54KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость химического состава продуктов (С) от отношения мольных долей исходных реагентов α = [Ti]/[C2H2O4].

Скачать (30KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость содержания фаз в продуктах реакции (I/Imax) от отношения мольных долей исходных реагентов α = [Ti]/[C2H2O4]. На рисунке стрелкой отмечено максимальное значение параметра. Квадратами обозначена относительная интенсивность характеристических пиков кубической сингонии – [плоскость 200]; треугольником – гексагональной, [101]; ромбом – ромбоэдрической, [104]; кругами – тетрагональной, [101].

Скачать (41KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Представлены СЭМ-изображения образца, полученного из продуктов горения смеси 5Ti + C2H2O4: a – детектор вторичных электронов (SE, InLens); б – детектор обратно рассеянных (отраженных) электронов (AsB).

Скачать (262KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость теплоты сгорания Qс от отношения мольных долей исходных реагентов α = [Ti]/[C2H2O4]. Cтрелкой отмечено максимальное значение параметра.

Скачать (23KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость полноты превращения на поверхности горения (ηs) от отношения мольных долей исходных реагентов α = [Ti]/[C2H2O4]. Штриховыми линиями обозначены значения ηs при Ts≡T начала и окончания температурного интервала фазового перехода.

Скачать (25KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025