Концепция моделирования физико-химических процессов

08.07.2015

В модели поведения ультрадисперсных химически реагирующих твердофазных материалов термомеханическое состояние и фазовый состав рассматриваются одновременно на макро- и микроскопических уровнях с использованием континуального и дискретного подходов. При этом учитывается возможность перехода к неравновесным физико-химическим процессам, приводящим к формированию наноструктуры продукта ударного синтеза, а также запуска и реализации химических реакций на фронте ударного импульса.
Общая концепция моделирования заключается в следующем:
1. Гетерогенный порошковый материал, состоящий из смеси реагирующих компонентов и инертного наполнителя, обладает макроскопической структурой неоднородности концентраций компонентов и удельного объема пор, сформированной в процессе подготовки смеси и предварительного прессования. Считается, что макроскопическая структура концентрационной неоднородности регулярна по всему объему порошкового тела. В зависимости от режима подготовки порошковое тело, характеризуемое средними заданными значениями концентраций компонентов и пористостью, может иметь различные распределения концентрации всех компонентов, включая поры, в пределах некоторого элемента концентрационной неоднородности. Предлагается рассматривать элемент макроскопической структуры концентрационной неоднородности в качестве представительного объема реагирующей порошковой среды.
2. Порошковый компакт представляется реагирующим слоем постоянной толщины, для него в любой момент времени можно выделить произвольный набор сечений, перпендикулярных направлению по толщине, на каждом из которых микроскопические характеристики механохимических процессов, эффективные параметры состояния среды, концентрационные, фазовые и другие свойства структуры могут считаться постоянными.
3. Интенсивное механическое воздействие на порошковую смесь может увеличить ее реакционную способность. Механическая активация определяется пластическим деформированием частиц, разрушением поверхностных слоев частиц реагирующих компонентов. Уплотнение порошкового материала в процессе нагружения приводит к повышению коэффициента температуропроводности и уменьшению масштаба структурной неоднородности порошкового тела — размера реакционной ячейки, что способствует тепловой активации реагирующей смеси и росту интенсивности химического взаимодействия.
4. Вызванный экзотермичностью механохимических превращений локальный прогрев может определять фазовые переходы и изменение агрегатного состояния компонентов гетерогенного порошкового тела — плавление легкоплавкого компонента. В зонах расплава реагирующая порошковая среда представляется твердофазным каркасом, насыщенным жидкой фазой легкоплавкого компонента.
5. Для отдельного компонента порошковой смеси возможно испарение.
6. Предварительное прессование порошковой смеси обеспечивает образование связей между частицами, поэтому к моделированию механического поведения порошкового тела применим подход механики пористых сред. Процесс динамического уплотнения характеризуется неизбежной неоднородностью степени пластического деформирования, а значит, неоднородностью степени механической активации по объему порошковых частиц.
7. Закон сохранения энергии может быть представлен краевой задачей теплового баланса с источниками и стоками для реагирующего слоя порошковой среды. Источники тепла определяются экзотермичностью химических превращений и тепловой составляющей диссипированной энергии импульса механического нагружения. Стоки тепла представляют эндотермические процессы фазовых переходов компонентов порошкового тела.
8. Расплав легкоплавкого компонента порошковой смеси может перемещаться в пористом твердофазном каркасе под действием градиента порового давления, обеспечивая конвективный тепло- и массоперенос. Моделирование эффективных теплофизических характеристик каждого микрослоя гетерогенной смеси, процессов тепло- и массопереноса может быть проведено с позиций механики зернистого слоя.
9. Макрокинетика безгазовых экзотермических превращений представляется многоуровневой моделью реакционной ячейки аррениусового типа с переменными параметрами, зависящими от масштаба структурной неоднородности: размера реакционной ячейки, концентрационно-фазового состава в локальных микрообъемах реагирующей порошковой среды, степени механической активации.
10. Необходимым требованием формирования наноструктурного состояния в локальных микрообъемах ультрадисперсных порошковых смесей считается соблюдение критерия запуска неравновесных процессов синтеза, объединяющего условия малости степени химических превращений, достижения требуемой степени механической активации компонентов смеси, изменения агрегатного состояния реагирующей среды, выполнение статистического правила реализации «турбулентного» режима уплотнения Ю.И. Мещерякова.
11. Рассматривается «стартовый» и текущий уровни ударной активации реагирующих порошковых компонентов вследствие выделения мгновенной составляющей повреждаемости частиц реагирующих компонентов на фронте ударного импульса и повреждаемости материала, накопленной за инкубационное время.