Влияние вида кинетических функций на закономерности превращения в тонком слое, расположенном на подложке, в условиях управления подвижным источником тепла

Влияние вида кинетических функций на закономерности превращения в тонком слое, расположенном на подложке, в условиях управления подвижным источником тепла

Автор: Караулова А.Ю., Князева А.Г.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 6, 2024 года.

Бесплатный доступ

Современные комбинированные лазерные технологии предполагают сочетание возможностей поверхностной обработки с синтезом материала. В этом случае предварительные оценки температуры только на основе теплофизических моделей представляются необоснованными. Требуется учет химических реакций, которые могут протекать как в твердой, так и в жидкой фазах. Для этого в работе сделан краткий обзор особенностей реакций с участием твердых веществ и видов кинетических функций, которые применяются для обработки эксперимента в химии и химической кинетике. Разнообразие возможных вариантов кинетических функций предоставляет широкие возможности для анализа экспериментов, что способствует более глубокому пониманию происходящих процессов. Далее на основе одномерной редуцированной модели с суммарной химической реакцией и с учетом накопления жидкой фазы показано, что вид кинетической функции, которая отражает механизм реакции на микроуровне, влияет как на максимальную температуру, так и на степень завершенности реакции. Редуцированные модели позволяют нам более эффективно исследовать каждый изучаемый фактор, что впоследствии может быть полезно для оптимизации технологических процессов. Для системы Al+TiO2 представлены зависимости характеристик квазистационарной стадии от параметров, отражающих роль условий синтеза. В этой системе превращения можно описать двумя суммарными реакциями: первая дает упрочняющую фазу, вторая приводит к изменению состава матрицы. Зависимость максимальной температуры от плотности мощности источника тепла оказываются линейными. После обработки покрытие содержит как продукты реакций, так и исходные вещества. Конкретный состав определяется условиями обработки.

Еще

Синтез покрытия на подложке, подвижный источник тепла, твердофазная реакция, редуцированная модель, степень превращения, кинетическая функция, численное исследование, квазистационарный режим

Короткий адрес: https://sciup.org/146283064

IDR: 146283064   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.6.03

Список литературы Влияние вида кинетических функций на закономерности превращения в тонком слое, расположенном на подложке, в условиях управления подвижным источником тепла

  • Спивак, Л.В. Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологии: учеб. пособие: в 2 ч. / Л.В. Спивак, Н.Е. Щепина; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. – Пермь, 2018. – Ч. 1. – 202 с.
  • Бутягин П.Ю. Химическая физика твердого тела: учеб. для студентов, обучающихся по направлению 511700 «Химия, физика и механика материалов» / М.: Изд-во Моск. ун-та (МГУ), 2006. – 269 с.
  • Горшков, В.С. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений [Учеб. для вузов по спец. «Хим. технология тугоплавких неметал. и силикат. материалов»] / В.С. Горшков, В.Г. Савельев, Н.Ф. Федоров. – М.: Высш. школа, 1988. – 399 с.
  • Анциферов, В.Н. О роли объемных и массовых эффектов реакций в процессах реакционного спекания / В.Н. Анциферов, В.Г. Гилев // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. – 2015. – № 4. – С. 9–20. DOI: dx.doi.org/10.17073/1997-308X-2015-4-9-20
  • A review on ceramic coatings prepared by laser cladding technology / Qilong Wu, Weimin Long, Lei Zhang, Hongwei Zhao // Optics & Laser Technology. – 2024. – Vol. 176. – Р. 110993. DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.110993
  • High-performance FeSiAl/(Al2O3-Ni) soft magnetic composites prepared by in situ synthesis method / Zigui Luo, Qi Jin, Rui Wang, Zhenjia Yang, Zhaoyang Wu, Guangqiang Li, Xi’an Fan // Advanced Powder Technology. – 2024. – Vol. 35. – P. 104624. DOI: 10.1016/j.apt.2024.104624
  • Шишковский, И.В. Создание объемных изделий из никелида титана методом послойного лазерного плавления / И.В. Шишковский, И.А. Ядроитцев, И.Ю. Смуров // Письма в ЖТФ. – 2013. – Т. 39, вып. 24. – С. 15–21.
  • In-situ синтез в процессе прямого лазерного выращивания функционального градиентного материала на основе поликристаллического бора и сплава Ti64 / В.М. Фомин [и др.] // Физическая мезомеханика. – 2022. – Т. 25, № 4. – С. 34–43. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_4_34
  • Третьяков, Ю.Д. Твердофазные реакции / Ю.Д. Третьяков. – М.: Химия, 1978. – 360 с.
  • Mehrer, H. Diffusion in Solids / H. Mehrer // Springer Series in Solid-State Sciences. – 2007. – Vol. 155. – 654 p. DOI: 10.1007/978-3-540-71488-0
  • Браун, М. Реакции твердых тел: пер. с англ. / М. Бра- ун, Д. Доллимор, А. Галвей; ред. В.В. Болдырев. – М.: Мир, 1983. – 359 с.
  • Розовский, А.Я. Кинетика топохимических реакций / А.Я. Розовский. – М.: Химия, 1976. – 219 с.
  • Дельмон, Б. Кинетика гетерогенных реакций: пер. с фр. / Б. Дельмон. – 1972. – 556 с.
  • Третьяков, Ю.Д. Твердофазные реакции / Ю.Д. Третьяков // Соросовский образовательный журнал. – 1999. – № 4. – С. 35–39.
  • Wyazovkin, S. Isothermal and non-isothermal kinetics of thermally stimulated reactions of solid / S. Wyazovkin, C.A. Wight // International Reviews in Physical Chemistry. – 1998. – Vol. 17, no. 3. – P. 407–433.
  • Vyazovkin, S. Isothermal and Nonisothermal Reaction Kinetics in Solid: In Search of Ways toward Consensus / S. Vyazovkin, C.A. Wight // J. Phys. Chem. A. – 1997. – Vol. 101. – P. 8279–8284. DOI: 10.1021/jp971889h
  • Roduit, B. Computational aspects of kinetic analysis. Part E: The ICTAC Kinetics Project-numerical techniques and kinetics of solid state processes / B. Roduit // Thermochim. Acta. – 2000. – Vol. 355. – P. 171–180. DOI: 10.1016/S0040- 6031(00)00447-0
  • Khawam, A. Solid-state kinetic models: Basics and mathematical fundamentals / A. Khawam, D.R. Flanagan // J. Phys. Chem. B. – 2006. – Vol. 110. – P. 17315–17328. DOI: 10.1021/jp062746a
  • Khawam, A. Basics and Applications of Solid-State Kinetics: A Pharmaceutical Perspective / A. Khawam, D.R. Flanagan // J. Pharm. Sci. – 2006. – Vol. 95. – P. 472–498. DOI: 10.1002/jps.20559 5-9
  • Пригожин, И. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуди. – 2002. – 464 с.
  • Vasilopoulos, Ya. COMF: Comprehensive Model-Fitting Method for Simulating Isothermal and Single-Step Solid-State Reactions / Yannis Vasilopoulos, Eliška Skoˇrepová, Miroslav Šoóš // Crystals. – 2020. – Vol. 10. – P. 139. DOI: 0.3390/cryst10020139
  • Capart, R. Assessment of various kinetic models for the pyrolysis of a microgranular cellulose / R. Capart, L. Khezami, A.K. Burnham // Thermochim. Acta. – 2004. – Vol. 417. – P. 79–89. DOI: 10.1016/j.tca.2004.01.029
  • Zhou, D. Model dependence of the activation energy derived from nonisothermal kinetic data / D. Zhou, D.J.W. Grant // J. Phys. Chem. A. – 2004. – Vol. 108. – P. 4239–4246. DOI: 10.1021/jp037917f
  • ICTAC Kinetics Committee recommendations for collecting experimental thermal analysis data for kinetic computations / S. Vyazovkin, K. Chrissafis, M.L. Di Lorenzo, N. Koga, M. Pijolat, B. Roduit, N. Sbirrazzuoli, J.J. Suñol // Thermochim. Acta. – 2014. – Vol. 590. – P. 1–23. DOI: 10.1016/j.tca.2014.05.036
  • Dickinson, C.F. A review of the ICTAC Kinetics Project, 2000: Part 1. Isothermal results / C.F. Dickinson, G.R. Heal // Thermochim. Acta. – 2009. – Vol. 494. – P. 1–14. DOI: 10.1016/j.tca.2009.05.003
  • Urbanovici, E. General kinetic equation for solid state reactions / E. Urbanovici, E. Segal // Journal of thermal analysis and Calorimetry. – 1999. – Vol. 55. – P. 919–924.
  • Франк-Каменецкий, Д.А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике: учебникмоногр. / Д.А. Франк-Каменецкий. – 4-е изд. – Долгопрудный: Интеллект, 2008. 408 с.
  • Рогачев, А.С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику / А.С. Рогачев, А.С. Мукасян. – 2013. – 400 с.
  • Материалообразующие высокоэкзотермические процессы: металлотермия и горение систем термитного типа / М.И. Алымов, В.И. Юхвид, Ю.В. Левинский. – ред. – М., 2021. – 376 с.
  • Stolin, A.M. SHS Extrusion: An Overview / A.M. Stolin, P.M. Bazhin // nternational Journal of SelfPropagating High Temperature Synthesis. – 2014. – Vol. 23, no. 2. – P. 65–73. DOI: 10.3103/S1061386214020113
  • Алдушин, А.П. О некоторых особенностях горения конденсированных систем с тугоплавкими продуктами реакции / А.П. Алдушин, А.Г. Мержанов, Б.И. Хайкин // Доклады Академии наук СССР. – 1972. – Т. 204, № 5. – C. 1139–1142.
  • Распространение фронта экзотермической реакции в конденсированных смесях при взаимодействии компонент через слой тугоплавкого продукта / А.П. Алдушин [и др.] // Физика горения и взрыва. – 1972. – T. 8, № 2. – C. 202–212.
  • Семиохин, И.А. Кинетика химических реакций / И.А. Семиохин, Б.В. Страхов, А.И. Осипов. – М.: изд-во МГУ, 1995. – 351 с.
  • Князева, А.Г. Моделирование формирования фазовой структуры покрытия в процессе электронно-лучевой обработки с использованием синтеза в твердой фазе / А.Г. Князева, С.Н. Сорокова // Теоретические основы химической технологий. – 2008. – Т. 42, № 4. – С. 457–465.
  • Сорокова, С.Н. Математическое моделирование объемных изменений в процессе спекания порошков системыT-Al / С.Н. Сорокова, А.Г. Князева // Физическая мезомеханика. – 2008. – Т. 11, № 6. – С. 95–101.
  • Князева, А.Г. Двухуровневые модели синтеза композитов: история и возможности / А.Г. Князева // Физика горения и взрыва. – 2024. – Т. 60, № 1. – С. 48–62. DOI: 10.15372/FGV2023.9332
  • Knyazeva, A.G. Two-level model of composite synthesis on a substrate from a powder mixture of TiO2 and Al. 1. Model description and simple examples / A.G. Knyazeva, M.A. Anisimova // Nanoscience and Technology: An International Journal. – 2023. – Vol. 14, no. 3. – P. 73–102. DOI: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2023047047
  • Князева, А.Г. Термомеханическая связанная модель синтеза покрытия на подложке / А.Г. Князева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2024. – № 1. – C. 58–74. DOI: 10.15593/perm.mech/2024.1.06
  • Kinetic evaluation of combustion synthesis 3TiO2 + 7Al → 3TiAl + 2Al2O3 using non-isothermal DSC method / R. Fan, B. Liu, J. Zhang, J. Bi, Y. Yin // Materials Chemistry and Physics. – 2005. – Vol. 91, Iss. 1. – P. 140–145. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2004.11.004
  • Reaction Mechanism of an Al-TiO2 System / H.G. Zhu, J. Min, Y.L. Ai, Q. Wu // Advanced Materials Research. – 2010. – Vol. 97–101. – P. 1624–1627. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.97-101.1624
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp