Исследования процессов фильтрационного горения

08.07.2015

Под фильтрационным горением в общем случае понимают различного рода процессы горения, в которых присутствует фильтрация в пористой среде одного или нескольких компонентов системы, способной к экзотермическим химическим реакциям. Режимы горения зависят от того, является ли система открытой или закрытой. В закрытых системах (когда все поверхности образца газонепроницаемы) горение возможно лишь при высоком давлении, когда в порах содержится достаточное количество окислителя. Различают стационарные (когда характерные масштабы зоны горения намного меньше длины образца) и квазистационарные (когда масштаб зоны фильтрации сравним или превышает длину образца, которая, в свою очередь, намного больше зоны прогрева) режимы горения. В стационарном режиме глубина превращения за фронтом горения — постоянная величина, которая может быть полной или неполной в зависимости от начального давления. Квазистационарный режим на практике реализуется чаще и характеризуется изменением конечной глубины превращения по мере продвижения фронта. Такие режимы горения могут применяться для получения градиентных материалов. В открытых системах хотя бы одна из поверхностей образца является газопроницаемой. В зависимости от условий различают естественную и вынужденную фильтрацию.
Фильтрационное горение, реализующееся в порошковых системах в условиях, когда газообразные реагенты могут проникать между частицами порошка, существенно отличается от твердофазного и жидкофазного режимов горения. Характер фильтрационного горения в большой мере определяется количеством газового компонента в зоне реакции, а также соотношением скоростей фронта волны горения и перемещения газа относительно частиц порошка. Процессы фильтрационного горения численно и экспериментально исследуются многими авторами, ссылки на которые можно найти в работах. Вынужденная фильтрация газовой смеси часто используется для регулирования температуры и других характеристик волны горения, развитая теория которой приведена в статье. Необходимо отметить, что конвективный перенос расплава в зону прогрева реагирующей смеси перед фронтом горения существенно влияет на кинетику превращений и на структуру продуктов реакции; при этом даже небольшое примесное газовыделение в присутствии жидкой фазы может вызвать специфические механизмы фильтрационного горения. Давление таких примесных газов дополняет действие термокапиллярных сил и наряду с ними обеспечивает конвективный перенос жидкой фазы в реагирующей смеси. Разработанные модели фильтрационного горения вполне пригодны для описания процессов горения конденсированных систем в присутствии только фильтрующегося расплава легкоплавкого компонента. Как показано в работе на примере порошковых смесей, содержащих ферромагнитный компонент, дополнительный конвективный перенос в продуктах реакции за волной горения в уплотненных реагирующих системах может быть инициирован магнитным полем с индукцией до 1,9 Тл.
Специальная классификация различных типов реакций в конденсированных порошковых средах приведена в работе. Для реакций между твердыми веществами все реакционные системы разделены на два класса: однородно реагирующие и неоднородно реагирующие. К первым отнесены системы, в которых процесс реагирования можно рассматривать одновременно по всему объему. Для вторых существенен учет определенных зон, содержащих большое число зерен, в которых протекает реакция. В последнем случае появляется еще один характерный параметр — ширина зоны, связанная с размером зерен и механизмом инициирования реакции. Для неоднородно реагирующих систем предлагается вводить дополнительную классификацию элементарных моделей по способам инициирования: тепловой (самораспространяющийся синтез), механический (трение посредством ударного сжатия или ультразвука), различного типа излучений и т.п.
Большинство моделей фильтрационного горения — однотемпературные: в них полагается равенство температур газового потока и твердой фазы. Двухтемпературные модели, основанные на различии температур газа и конденсированной фазы, учитывают конвективный механизм теплообмена. При этом теплопроводность каркаса зачастую играет второстепенную роль в прогреве вещества.