Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений

09.07.2015

С целью изучения влияния исходных параметров ударно-нагруженных порошковых смесей на возможность реализации сверхбыстрых превращений на фронте ударного импульса был смоделирован процесс синтеза в порошковой системе Ni-Al с массовым содержанием Ni 31,5 % под действием ударного длительностью 1 мкс. Рассмотрена модельная структура исходного порошкового компакта с различными значениями средней пористости П0 с параметром концентрационной неоднородности b/а и размером частиц 5—10 мкм. Результаты вычислительного эксперимента приведены для слоя реагирующей порошковой смеси с объемом элемента структуры 9*10в-9 м3.
Выполнение критерия (3.1) в микрослоях проверяется на каждом шаге по времени вплоть до окончания действия ударного импульса.
На рисунках 38—40 представлены моменты выполнения критерия перехода к нестационарному режиму уплотнения в микрослоях модельного образца для различных параметров исходной структуры порошкового компакта. Из полученных результатов видно, что в однородных смесях с высокими значениями исходной пористости (рис. 38, а, 39, б) зоны выполнения комплексного критерия (3.1) равномерно распределены по объему реагирующего компакта. С увеличением неоднородности смеси (рис. 38, в, д; 40, в, г) относительный объем модельного образца, в котором возможна реализация сверхбыстрых превращений, уменьшается и концентрируется в области с высоким содержанием тугоплавкого компонента. Снижение исходной пористости модельного порошкового компакта приводит к сокращению относительного количества областей выполнения критерия, вплоть до их полного исчезновения (рис. 38, а, б, 39, а, б).
Результаты, приведенные на рисунках 38—40, хорошо согласуются с результатами прогноза моментов инициирования и окончания процесса синтеза, представленными на рисунках 41—43. Области реализации сверхбыстрых превращений (с характерными временами порядка 10в-7 мкс) совпадают с зонами выполнения комплексного критерия (3.1). На рисунке 44 изображены зоны выполнения критерия (выделенные серым цветом), полученные в результате расчета, на фоне исходных распределений концентраций компонентов и удельного объема пор по толщине реагирующего слоя из двух реакционных ячеек длиной b. Для ультрадисперсных порошковых смесей в этих зонах возможно формирование наноструктуры продукта механохимических превращений.
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений

Полученные результаты демонстрируют сильную зависимость расположения данных зон от параметров исходной структуры порошкового компакта. Уменьшение исходной пористости приводит к уменьшению зон реализации нестационарного режима уплотнения, вплоть до полного исчезновения. На рисунке 45 представлены зависимости концентрации зон реализации критерия (3.1) от исходных параметров структуры и амплитуды ударного импульса. Наблюдается незначительное уменьшение относительного объема с ростом концентрационной неоднородности (рис. 45, а). Обнаружено наличие порогового значения исходной пористости, преодоление которого приводит к скачкообразному увеличению относительного числа слоев (рис. 45, б). Это может быть обусловлено тем, что процесс ударного перехода осуществляется в два этапа: сначала происходит сферически симметричное затекание пор, затем — появляются вихревые течения. Критерий (3.1) может выполниться только на втором этапе. Таким образом, при малых значениях пористости среды критерий может — быть не удовлетворен. Как видно из рисунка 45, в), относительный объем зон выполнения критерия (3.1) не зависит от амплитуды динамического воздействия.
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений

Аналогичные результаты могут быть получены для системы Zr-B. В ходе вычислительных экспериментов моделируется процесс синтеза в порошковой системе Zr-B с массовым содержанием Zr 19,2 % под действием ударного импульса с амплитудой 4,5 ГПа и длительностью 1 мкс. Рассмотрена модельная структура исходного ультрадисперсного порошкового компакта с размером частиц 5 мкм, различными значениями средней пористости П0 и параметром концентрационной неоднородности b/а. Значение b/а =1,1 отвечает однородной концентрации компонентов смеси в объеме порошкового компакта.
На рисунке 46 представлены моменты выполнения критерия перехода к нестационарному режиму уплотнения в микрослоях модельного образца, характеризуемого параметром концентрационной неоднородности b/а =1,3 для различных значений пористости исходного компакта.
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений

На рисунке 47 отражены зависимости концентрации зон реализации критерия нестационарности от исходных пористости порошкового компакта для различных значений параметра b/а. Как и в случае синтеза в системе Ni-Al, наблюдается наличие порогового значения исходной пористости, его преодоление приводит к скачкообразному увеличению относительного объема модельного образца, в котором возможна реализация сверхбыстрых превращений.
Определяющие факторы сверхбыстрых физико-химических превращений

Таким образом, нестационарный режим динамического уплотнения имеет локализованный характер, образуя структуру продукта физико-химических превращений в ударнонагруженных реагирующих порошковых компактах. В ультрадисперсных порошковых реагирующих материалах зоны реализации такого режима динамического уплотнения представляют наиболее вероятные области формирования наноразмерных субструктур продукта реакции. Существует пороговое значение исходной пористости реагирующего порошкового компакта, чье преодоление приводит к скачкообразному увеличению относительного объема материала, в котором возможен запуск сверхбыстрых химических превращений на фронте ударного импульса.