Особенности синтеза композита из порошковой смеси в рамках термомеханической модели
Автор: Букрина Н.В., Князева А.Г.
Статья в выпуске: 1, 2026 года.
Бесплатный доступ
Управляемый синтез композитов привлекает внимание в связи с возможностью получения однородного по составу и структуре продукта. Это относится и к интерметаллидным композитам. В этом случае тепловыделение в реакциях суммируется с теплом вследствие внешнего нагрева, что может приводить к самоподдерживающимся режимам типа теплового взрыва или горения. Неравновесные термокинетические процессы сопровождаются механическими напряжениями и деформациями, которые могут влиять на динамику и результат синтеза. В настоящей работе анализируется связанная модель объемного синтеза композита на основе смеси Ni-Аl, которая учитывает взаимовлияние тепловых, химических и механических явлений. Модель включает уравнение теплопроводности с дополнительным источником тепловыделения химической и нехимической природы. В задачу входит кинетическое уравнение для определения массовой доли продукта синтеза. Для оценки термических напряжений и деформаций используется известное решение задачи о механическом равновесии для составного цилиндра, соответствующего модельному реактору. Составной цилиндр однородно нагревается с боковой поверхности. Аналитическое решение задачи о равновесии позволяет после подстановки в термокинетическую модель выделить эквивалентные параметры реакций и эквивалентные теплофизические свойства, зависящие от механических модулей. Для численной реализации полученной нелинейной модели разработан численный алгоритм, составлена и отлажена программа, позволяющая осуществлять детальное параметрическое исследование. В расчетах определяли поля температуры, итоговую долю продукта реакции, а также величины напряжений и деформаций во всей исследуемой области в различные моменты времени. В результате показано, что учет связанности тепловых, химических и механических процессов приводит к изменению всех характеристик процесса, включая величины напряжений разной физической природы. Величины напряжений определяются условиями инициирования реакции и геометрическими параметрами реактора.
Высокотемпературный синтез, тепловой взрыв, суммарная схема реакции, термические напряжения, математическое моделирование, связанная модель, плоское напряженное состояние, интерметаллидный композит, эквивалентные параметры, неравновесные процессы
Короткий адрес: https://sciup.org/146283354
IDR: 146283354 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2026.1.05
Characteristics of composite synthesis from powder mixture using thermomechanical models
Controlled synthesis of composites attracts attention due to the possibility obtaining a homogeneous product in terms of composition and structure. This also applies to intermetallic composites. In this case, the heat release in reactions is summarized with the heat due to external heating, which can cause self-sustaining regimes such as thermal explosion or combustion. Non-equilibrium thermokinetic processes are accompanied by mechanical stresses and strains, which can affect the process dynamics and synthesis result. In this paper, a coupled model is analysed for the bulk synthesis of a composite from Ni-Al blend, which takes into account the interrelation of thermal, chemical and mechanical phenomena. The model includes a heat conduction equation with an additional heat source of chemical and non-chemical nature. The kinetic equation is added to the model to deter the mass fraction of the synthesis product. To estimate thermal stresses and strains, the known solution is used for the mechanical equilibrium problem of a multiplex cylinder corresponding to the model reactor. A cylinder is uniformly heated from the side surface. The analytical solution of the equilibrium problem after substitution into the thermokinetic model makes it possible to identify equivalent reaction parameters and equivalent thermophysical properties depending on the mechanical moduli. For the numerical implementation of the obtained nonlinear model, a numerical algorithm was developed; a program has been compiled and debugged that allows for detailed parametric research. In the calculations, the temperature fields, the final fraction of the reaction product, as well as the values of stresses and strains were determined in the whole investigated area at different instants of time. As a result, it is shown that taking into account the coupling of thermal, chemical and mechanical processes changes all process characteristics including stress values of different physical natures. The stress values depend on the reaction initiation conditions and geometrical parameters of the reactor.
