авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Пористые термостойкие материалы на основе синтактных пенопластов и оксида титана

-- [ Страница 2 ] --
Условия термообработки Химический анализ Рент.фаз. анализ Свойства
Т, 0С Время, мин С своб. С связ. кг/м3 сж,МПа ,См/м ,Вт/мК
800 120 27,56 2,6 TiO2 720 2,69
1300 300 30,64 4,34 TiO2O3+TiC 2,51
1300 60 29,22 4,33 TiO2O3+TiC 1,5
1300 120 34,44 TiO2O3+TiC 730 3,48 574,71 0,674
1300 180 31,07 2,98 TiO2O3+TiC 800 1,02 518,13 0,813
1700 10 14,85 12,93 TiC 500 0,8 833.3 0,667
1700 30 12,33 14,79 TiC 460 0,59 625 0,662
1700 60 7,73 16,31 TiC 500 1.4 3846,51 0,653
1700 120 9,67 16,19 TiC 560 0,86 1886,7 0,773
1700 180 TiC 574 1,44

1700 300 9,80 17,32 TiC 602 0,69 6870,4

1900 30 9,53 17,4 TiC 470 0,55 1666,7 0,36

1900 60 9,57 14,2 TiC

1900 120 9,80 16,81 TiC 500 0,76 1666,7 0,39

1900 180 9,95 17,62 TiC 450 0,67 1250,0

Из результатов исследований видно, что термообработку изделий целесообразно проводить до температуры 1700°С, при которой и происходит образование карбида, так как дальнейший нагрев не уменьшает количество свободного углерода.

Предложена технологическая схема получения пенокарбидных изделий, включающая стадии получения исходного синтактного пенопласта (дозирование компонентов, смешение, загрузка в пресс-форму, формование изделия, отверждение) и стадию его термообработки в вакуумной печи (рис.4)

Изделия из пенокарбидных материалов, полученные в соответствии с разработанной рецептурой и по предложенной технологической схеме, обладают такими отличительными свойствами как изотропность структуры и свойств, прочность, низкая теплопроводность, высокая термическая и эрозионная стойкость, формоустойчивость.

Четвертая глава посвящена разработке математического описания кинетики многостадийных реакций, для которого использовали понятия «скорость стадии сложной реакции», которая определяется как скорость образования реагента в элементарной стадии, отнесенная к его стехиометрическому коэффициенту на указанной стадии.

Математическое описание кинетики карбидизации составлено для девяти наиболее вероятных стадий, в соответствии со схемой (1). Оно представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающую скорости образования всех реагентов (2), дополненную уравнениями описания скоростей элементарных стадий (3) и заданными начальными условиями для каждого реагента.

В уравнениях (2) обозначено y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7 – количества моль двуокиси титана, углерода, карбида титана, окиси титана, окиси углерода, оксида титана (III), углекислого газа, соответственно ; z1 z9 – скорости стадий.

- для двуокиси титана TiO2: dy1/dt= -z1-z2·4-z3·2-z4-z5·3,

- для углерода C: dy2/dt= -z1-z2-z3-z4·3-z5·4-z6·3-z8-z9·2,

- для карбида титана TiC: dy3/dt= z4+z5+z6+z7+z8+z9,

- для окиси титана TiO: dy4/dt= z1+z6-z7·5-z8·3-z9, (2)

- для окиси углерода СO: dy5/dt= z1+z3+z4·2+z5·3+z6·2-z7+z9,

- для оксида титана (III) Ti2O3: dy6/dt= 2·z2+z3+z5-z6+z7·2+z8,

- для углекислого газа CO2: dy7/dt= z2.

z1=k1(T)y1y2; z4=k4(T)y1y23; z7=k7(T)y45y5;

z2=k2(T)y14y2; z5=k5(T)y13y24; z8=k8(T)y43y2; (3)

z3=k3(T)y12y2; z6=k6(T)y6y23; z9=k9(T)y4y22.

Расчет кинетических констант скоростей стадии процесса карбидизации проводили на основе экспериментальных данных, так как методы теоретической химии не дают возможности рассчитать константы скоростей стадии k1(T) k9(T).

Для решения поставленной задачи была разработана Matlab –программа. По расчетным значениям констант скоростей стадий k1…k9 при различных температурах процесса карбидизации были найдены значения предэкспонентов koi и кажущихся энергий активации Ei в уравнении Аррениуса для стадий процесса карбидизации. Сопоставлением экспериментальных и расчетных данных по изменению содержания карбида титана в процессе карбидизации при различных температурах доказали адекватность разработанной модели.

Полученные данные показывают, что в исследованной области температур все реакции кинетически возможны.

С помощью разработанной Matlab –программы, исследовали влияние, как начальных условий по исходным компонентам, так и времени карбидизации на количества образования продуктов реакций. В соответствии с проведенным анализом сделали вывод: чем выше температура карбидизации, и чем дольше протекает процесс, тем больше выход целевого продукта – карбида титана. На основании этого при разработке технологических режимов необходимо предусмотреть определенную выдержку при постоянной температуре.

Анализ полученных расчетных данных для девяти наиболее вероятных реакций, протекающих в процессе карбидизации в системе Ti-C-O, показывает, что количество образующихся промежуточных компонентов в процессе карбидизации мало, и поэтому, образование карбида титана за счет этих реакций незначительно. Поэтому описали процесс карбидизации одной брутто реакцией вида:

(4)

где n1, n2, n3 – стехиометрические коэффициенты; K(T) – константа скорости брутто реакции.

Для этой брутто-реакции на основании экспериментальных данных по разработанной программе были рассчитаны константа скорости К(Т), численные значения стехиометрических коэффициентов n1, n2, n3 реакции при различных температурах, так же получена температурная зависимость константы скорости этой реакции.

Для выяснения зависимости теплофизических характеристик от начального состава композиции, необходимого при расчете тепловых режимов процесса карбидизации изделий из синтактных пенопластов, была получена функциональная зависимость температуропроводности от исходного состава композиции и от текущей температуры (5). Для этого установили зависимости плотности и теплопроводности материалов от исходного состава рецептуры и температурную зависимость теплоемкости пенокарбидов.

(5)

где ti – содержание титана в исходной композиции, моль,

с – содержание углерода в исходной композиции, моль,

Т – текущая температура, К.

Адекватность выражения (4) подтвердили оценкой по критерию Фишера.

Пятая глава посвящена расчету оптимальных технологических режимов карбидизации изделий различных геометрических форм по разработанным математическим описаниям этого процесса для каждого вида изделия.

Актуальность этой проблемы подтверждается результатами промышленных испытаний, когда возникающие во время карбидзации градиенты температур и напряжений приводят к растрескиванию изделий, а эмпирический подбор режимов является крайне нерациональным в силу длительности и энергоемкости процесса.

При составлении математического описания процесса получения пенокарбида титана различных форм необходимо:

  1. Математическое описание кинетики процесса карбидизации;
  2. Математическое описание процесса нагрева изделия.

Математическое описание собственно кинетики карбидизации изделия в различных сечениях образца в соответствии с кинетической схемой (4) будет описываться системой дифференциальных уравнений:

(6)

которая решается при заданных начальных условиях и где y1 – число молей TiO2; y2 – число молей углерода; y3 – число молей карбида титана.

При решении тепловых задач, в качестве, математического описания нагрева изделий разных геометрических форм в общем виде используется уравнение нестационарной теплопроводности (7) с заданными начальными и граничными условиями (8)

, (7)

где а([Ti],[C],Т) – температурная зависимость коэффициента температуропроводности от начального состава композиции пенокарбида титана; – текущее время; x, y, z – координаты трехмерного пространства, – функция внутренних источников тепла. Начальные условия для решения (7)

Т(0,y,z,0) = Тпов х ; Т(х,0,z,0) = Тпов y ; Т(х,y,0,0) = Тпов (8)

Пенокарбиды могут использоваться как теплозащитные покрытия в самолётостроении и ракетно-космической технике. В соответствии с потребностью этих отраслей особый интерес для изучения представляют изделия следующих геометрических форм:

-плоская пластина размерами АВН (А-длина, В-ширина, Н-высота), когда А и В >> Н;

-прямоугольный параллелепипед размерами АВН, когда А, В, Н - соизмеримы (одного порядка); 

- полый цилиндр с толщиной стенки b, высотой Н и внутренним радиусом R;

-полый осесимметричный конус с размерами: R1 - внутренний радиус нижнего основания конуса, R2 - внутренний радиус верхнего основания конуса, H - высота конуса, B - толщина стенки конуса.

В процессе термообработки температура по объему изделия в каждый момент времени будет различна. Это приводит, во-первых, к неравномерности процесса карбидизации по объему образца; во-вторых, к возникновению градиента температур в объеме образца dT()/dL (где L - характерный размер образца). Экспериментально установлено, что при карбидизации синтактных пенопластов на основе фенолформальдегидных смол предельно допустимый градиент температур в объеме образца составляет 700-800 К/м, в противном случае, в изделии наблюдается образование микротерщин, приводящее к разрушению образца.

Таким образом, задача оптимизации технологического режима процесса карбидизации была поставлена следующим образом: для изделий различных геометрических форм и размеров найти такую скорость подъема температуры в печи карбидизации, при которой возникающий в изделии градиент температур не превышал бы предельно допустимого значения с заданной степенью точности при выполнении следующих условий ограничения: конечная температура в печи нагрева составляет 1973К. При найденной оптимальной скорости изменения температуры рассчитать время выдержки изделия в печи карбидизации при температуре 1973К и полное время карбидизации.

Анализ расчетных данных показал, что неравномерность карбидизации заканчивается раньше, чем неравномерность прогрева. Поэтому, завершение процесса карбидизации целесообразно оценивать по градиенту температуры, так как он является лимитирующим.

Решение поставленной задачи проводилось с помощью генетического алгоритма, для реализации которого использовались ранее полученные зависимости максимального температурного градиента и полного времени карбидизации от геометрических размеров изделия и скорости его нагрева. В результате для каждого вида изделий были разработаны программы в среде matlab, позволяющие после введении характеристик образца, рассчитать оптимальную скорость нагрева и время выдержки.

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения пористых термостойких изделий заданной формы и размеров путем термообработки открытопористых материалов на основе фенолоформальдегидных олигомеров, углеродных микросфер и оксида титана.

2. Определены оптимальные условия (соотношение компонентов композиции, давление формования, температура предварительной термообработки микросфер) для получения открытопористых изотропных изделий, пригодных для дальнейшей термообработки.

3. Разработана Matlab-программа для расчета кинетических констант карбидизации на основе адсорбционно-диффузионной модели, термодинамических параметров, электронно-микроскопических, рентгено-фазовых и химических исследований.

4. Впервые разработано математическое описание кинетики процесса карбидизации в системе Тi-C-O и Matlab-программы позволяющие:

- исследовать влияние начального состава композиции на полноту протекания реакций;

-рассчитать оптимальный состав композиции и тепловой режим для получения максимального выхода целевого продукта.

- установить влияние скорости нагрева на кинетику процессов протекающих при карбидизации.

5. Показано, что для получения изделий с минимальными внутренними напряжениями окончание процесса следует оценивать по изменению градиента температуры в изделии

6. Разработан алгоритм, позволяющий проводить поиск оптимальных технологических параметров процесса карбидизации для изделий различных форм и размеров.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Панов, Ю.Т. Разработка технологии получения пенополимеров, способных к карбонизации и карбидизации [Электронный ресурс] / Ю.Т. Панов, М.С. Парфенова, Е.В. Ермолаева, В.Т.Земскова // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 4. Режим доступа: http://www.science-education.ru/104-6547

2. Барабанов, Н.Н. Алгоритм расчета технологических параметров карбидизации композиций с участием диоксида титана произвольного состава / Н.Н. Барабанов, Е.В. Ермолаева, В.Т.Земскова, Ю.Т. Панов, М.С. Пузырева// Изв.Вузов. Химия и химическая технология. – 2012. – Т.55.- №9.- С. 81-85.

3. Пузырева, М.С. Автоматизированная система планирования и обработки экспериментальных данных средствами MATLAB/ М.С. Пузырева, Н.Н. Барабанов // Тез.докл. VII Региональной студенческой научной конференции с международным участием «Фундаментальные науки - специалисту нового века». - Иваново, 2008. - С. 176.

4. Барабанов, Н.Н. Математическое описание процесса карбидизации пенокарбидов титана в форме плоской пластины / Н.Н. Барабанов, В.Т. Земскова, Е.В. Ермолаева, М.С. Пузырева// Сб. трудов XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22», - Псков, 2009.

5. Барабанов, Н.Н. Влияние начального состава композиции на температуропроводность изделий из пенокарбида титана /Н.Н. Барабанов, Е.В. Ермолаева, Ю.Т. Панов, М.С. Пузырева// Тез.докл. Международной научно-практической конференции «Информационные и управляющие системы в пищевой и химической промышленности», - Воронеж, 2009. - С. 28-29.

6. Пузырева, М.С. Исследование процесса термообработки синтактного пенопласта, содержащего титан, методом математического моделирования / М.С. Пузырева, Н.Н. Барабанов, Ю.Т. Панов// Тез.докл. XIII международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений – V кирпичниковские чтения». – Казань, 2009.

7. Барабанов, Н.Н. Аналитический способ определения оптимальных режимных параметров карбидизации / Н.Н. Барабанов, В.Т. Земскова, Е.В. Ермолаева, М.С. Пузырева // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24 сб.трудов XXIV Международной научной конференции: в 10 т. Т.8. Секция 12/ под общ. Редакцией В.С. Балакирева.- 2011. - С. 71-72.

8. Парфенова, М.С. Технология получения пенополимеров, способных к карбидизации / М.С. Парфенова, А.Н. Моняков, Е.В. Ермолаева, Панов Ю.Т. // Сборник статей Двенадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», под ред. А.П. Кудинова. - СПб.: 2011. - С.270-272.

9. Парфенова, М.С. Алгоритм расчета технологических параметров карбидизации для изделия в форме пластины произвольного состава/ М.С. Парфенова, Е.В. Ермолаева, Ю.Т. Панов, В.Т. Земскова// Сборник статей Двенадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», / под ред. А.П. Кудинова. - СПб.: 2011. - С.145-147.

10. Парфенова, М.С. Оптимизация технологического процесса карбидизации изделий / М.С. Парфенова, Ю.Т. Панов, Е.В. Ермолаева, В.Т. Земскова// Сборник статей Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 30-летию механического факультета НХТИ «Актуальные инженерные проблемы химических и нефтехимических производств и пути их решения», под ред. В.И.Елизарова – Нижнекамск: 2012. – С.50-51.

Автор выражает благодарность к.т.н., проф. и к.т.н., зав. каф. полимерных материалов Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых Ермолаевой Е.В. за ценные консультации и помощь в проведении научно-исследовательских работ.

Ответственный за выпуск Парфенова М.С.



Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.