CC BY
52
С. И. Ксенофонтов, А. М. Порфирьев
ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ АЛЮМИНИЙ
СОДЕРЖАЩИХ СОСТАВОВ
Ключевые слова: дисперсная частица, эффективный диаметр, функция распределения частиц по размерам, продукты горения, микроскопия, обработка на ЭВМ.
Приведены результаты дисперсного анализа продуктов горения модельного состава на основе перхлората аммония и полибутадиенового каучука с добавками металлического алюминия. Показано, что большинство частиц имеет микронный размер и эллипсоидальную форму.
Keywords: disperse particle, effective diameter, function of distribution of particles in the sizes, burning products, microscopy, processing on the COMPUTER.
Here are shown the results of dispersed analysis of model composition combustion products on basis of ammonium perchlorate and polybutadiene rubber with aluminium metal additive. It is found out that majority of particles has micron size and elliptic form.
Процессы горения сопровождаются образованием дисперсной фазы. В пламенах углеводородных топлив, горящих с недостатком окислителя, образуются дисперсные частицы, представляющие собой продукты пиролиза углеводородов или конденсата углерода. Сажа, образующаяся в пламени, имеет сложную микроструктуру как дисперсная частица и сложный химический состав [1].
В пламенах конденсированных систем дисперсная фаза образуется в результате выноса частиц исходного конденсированного вещества или его компонентов. Явно выраженное диспергирование имеет место в пламени пиротехнического состава [2].
В пламени идут процессы догорания дисперсных частиц за счет окислителя самого состава и окружающего воздуха. Знания параметров дисперсной фазы в различных участках пламени позволяет раскрыть механизм горения дисперсных частиц, анализировать тепловые явления при горении, излучение пламени, явления ионизации и рекомбинации частиц в пламени и т. д.
Для анализа дисперсной фазы существует множество бесконтактных и контактных методов, которые имеют свои преимущества и недостатки [3-5]. Бесконтактные методы не возмущают пламя, но аппаратура для регистрации частиц является сложной и дорогостоящей [4,5]. Контактные методы имеют ряд недостатков: 1) возмущение пламени телом пробоотборника; 2) ограниченное время замораживания реакций дисперсной и газовых фаз; 3) изменение формы дисперсной частицы при взаимодействии с подложкой и т.д. Тем не менее, контактные методы находят широкое применение для анализа дисперсной фазы.
В работе для пробоотбора был применен метод проноса пробоотборника в пламени на фиксированной высоте над поверхностью горения. На стеклянной подложке длиной 12 см осаждаются дисперсные частицы по всему сечению факела в диаметральной плоскости. Регулируя скорость проноса пробоотборника можно менять поверхностную плотность осажденных частиц. За счет быстрого охлаждения дисперсных частиц на теле пробоотбор-
ника удается сохранить их размеры и форму. Многие исследователи в качестве пробоотборника используют стеклянные пластинки. Поверхность стекла достаточно ровная, инертна к среде.
Визуальное изучение поверхности пробоотборника с целью определения концентрации частиц в пламени является длительным и утомительным процессом. При этом идентификация микрообъектов по размерам оказывается наиболее трудоемкой частью работы. Для ускорения анализа дисперсного состава применяются различные приборы, основанные на фотоэлектрическом методе. Они состоят из двух основных блоков: оптической части и электронного устройства. Оптическая часть формирует увеличенное изображение микрообъекта, а электронный блок включает в себя устройство получения информации об объекте, устройство обработки информации, содержащее специализированную ЭВМ и устройство выдачи данных [6,7].
В работе в качестве микроскопа применялся металлографический микроскоп МИМ-7 с темнопольным освещением объекта исследования. Дисперсные частицы представляются светлыми объектами на темном фоне. В качестве регистрирующего прибора использовалась окулярная приставка к микроскопу с цифровой камерой фирмы «Werberg», имеющей 5 мегапиксельную ПЗС-матрицу. Размеры светочувствительного элемента матрицы равны 2,2 мкм. Оцифрованное изображение объекта вводилось ПЭВМ через USB-порт и сохранялось в bmp-формате. Программное обеспечение видеокамеры позволяло менять яркость, контрастность и цветность изображения, изменять коэффициент увеличения полученного изображения для просмотра отдельных элементов. Скорость сканирования изображения составляло 2 кадр/с. Сохраненное изображение разбивалось на отдельные элементы по числу пикселей ПЗС-матрицы и составляло 1944 строк по 2592 элемента в каждой строке. Каждый элемент имеет 256 градаций яркости в черно-белом варианте.
Полученные снимки поверхности пробоотборника обрабатывались с помощью специально созданной программы «Particle», написанной в среде «Delphi». Наиболее приемлемым для обработки является черно-белый вариант изображения. По желанию оператора может обрабатываться только часть изображения, вырезая из основного.
Измерение размеров и счет числа частиц являются центральным местом в программе «Particle». Окно-просмотрщик размерами 1x1 пикселя пробегает по отдельной строке изображения. В ходе продвижения по черному фону встречается со светлым пикселем, то есть окно-просмотрщик встречается краем изображения частицы. Обегая частицу по краю, с использованием цепного кода Фримена [7] , можно создать массив о периметре и площади частицы. Окно-просмотрщик, возвращаясь в исходную позицию начала счета частицы, удаляет эту частицу из изображения. После этого продолжает дальнейшее продвижение по строке. После просмотра первой строки окно-просмотрщик начинает сканирование следующей строки. Так продолжается до просмотра последней строки изображения. Таким образом, поочередно рассматриваются все частицы изображения. Программа работает достаточно быстро, сканирование всего изображения длится не более 10 с.
В памяти машины остаются данные о числе частиц N, об их периметре P и площади S. По этим данным легко рассчитывается эффективный диаметр Ьэф, равный диаметру круга, площадь которого равна площади проекции частицы. Для оценки формы частицы вводится новый параметр - форм-фактор G. Он служит показателем степени округлости частицы и рассчитывается как отношение квадрата периметра к площади проекции G = P2 / S . Для круга форм-фактор равен G = 4к = 12,56 , для вытянутого эллипса отношением полуосей 2:1 - 4,5л. Для некоторых видов частиц можно привести таблицу значений форм-фактора.
Программа позволяет получать сведения об ансамбле частиц в виде функций распределения частиц по периметру, по площади, по эффективному диаметру и по формфактору. Если в ансамбле частиц имеются преимущественно круглые частицы, то в функции распределения частиц по форм-фактору окажется максимум при значении О = 12,56. Программа проверялась по тестовым рисункам изображения частиц.
Для частиц с развитой поверхностью значение форм-фактора оказывается значительным при фиксированном эффективном диаметре. Однако, как показывает опыт, приведенные выше параметры необходимо рассматривать комплексно и с визуальным наблюдением изображения отдельных частиц. Только в этом случае удается правильно описать ансамбль частиц.
В качестве примера приведем анализ ансамбля частиц продуктов сгорания модельного состава на основе перхлората аммония 80% (ПХА) и полибутадиенового каучука 20%. Металлический алюминий введен в состав в количестве 15% сверх 100%. Первичные частицы металла представляли механическую смесь ультрадисперсной фракции с фракцией частиц размерами ~12 мкм. Образец цилиндрической формы диаметром 10 мм сжигался при комнатных условиях. Пронос пробоотборника проводился на высоте 2 см над поверхностью горения.
Увеличенное изображение участка пробоотборника приведено на рис. 1. Видны крупные частицы размерами 10 + 25 мкм, а большинство частиц имеет микронные размеры. На рисунке длина черточки соответствует 100 мкм. Общее число частиц, зарегистрированное камерой равно 6252. Крупные частицы размерами 10^30 мкм составляют ~1,1%, а более крупные образования размерами ~ 100 мкм составляют лишь ~0,01%. Среднее расстояние между частицами составляет ~16 мкм.
Рис. 1 - Участок пробоотборника
Крупные частицы размерами 10 мкм, по всей вероятности являются «материнскими», то есть вынесенными газовым потоком непосредственно с поверхности горения. Пленка из окиси алюминия, образованная в ходе медленного окисления, сохраняет свою форму при прохождении высокотемпературной зоны пламени, так как температура плавления окиси алюминия выше температуры пламени. Просматривая такие частицы под
большим увеличением можно увидеть, что внешняя поверхность ее неровная, имеются отдельные чешуйки, частично отошедшие от основной сферы. На поверхности некоторых частиц имеются отверстия в виде жерла. Вероятно, через эти отверстия выходили пары алюминия. На внешней поверхности сферы радиуса К можно наблюдать осажденные сферические частицы меньших размеров ~ 0,1 К. Частицы сажи на поверхности пробоотборника не наблюдаются.
Функции распределения частиц по выделенным параметрам приведены на рис. 2-4. Размеры выражены в пикселях. При данном увеличении микроскопа 1 мкм равен 2 пикселям. Функция распределения частиц по эффективному диаметру имеет максимум при Ьэф = 1 мкм и с увеличением размеров частиц резко уменьшается. Более крупные частицы диаметром более 10 мкм имеют максимум на уровне 1%.
Рис. 2 - Распределение частиц по периметру
Рис. 3 - Распределение частиц по эффективному диаметру
Рис. 4 - Распределение частиц по форм - фактору
Согласно данным таблицы 1 распределение частиц по форм-фактору можно трактовать по разному. Наличие частиц сложной формы, состоящих из крупной и осажденных на ее поверхности более мелких частиц, приводит сдвигу максимума распределения в сторону увеличения значений О.
Таблица 1 - Значения форм-фактора для правильных фигур
Фигура Круг Эллипс 2:1 Шестиу гольник Квадрат Прямоу гольник
2:1 4:1
0 12,56 14,1 13,9 16 18 25
Нами просчитаны изменения форм-фактора при слиянии двух частиц размерами К и Г =0,Ж при разных расстояниях между центрами ОО1 от 0,9К и 1,1 К. Такие размеры были взяты по результатам визуальных наблюдений под микроскопом. Значения формфактора для фиксированных расстояний ОО1 приведены в таблице 2. Последнее значение О таблицы 2 соответствует для соприкасающихся частиц.
Таблица 2 - Изменение форм-фактора при разных расстояниях между частицами
ООі 0^ 0,95R R 1,05R 1,Ж
0 12,56 12,79 12,95 14,39 15,05
Если на поверхности сферической частицы размерами К находятся несколько частиц размерами Г = 0,1 К, то форм-фактор такого образования также меняется. Расчетные значения О от числа мелких частиц, находящихся на расстоянии ООі = К приведены в таблице 3.
Приведенные в таблицах 2,3 значения форм-фактора в распределении частиц не наблюдаются или таких частиц очень мало.
Агломерированные частицы одинаковых размеров также изменяют значения О в сторону увеличения. Под микроскопом такие частицы наблюдаются в виде эллипса пере-
тянутой шейкой. Например, если расстояние между центрами двух сферических частиц равно ОО1 = 1,2К , то форм-фактор такой частицы равен 16. При увеличении расстояния между ними до ОО1 = 1,4 К форм-фактор становится равным О = 16,9. В распределении частиц по форм-фактору доля агломерированных частиц одинаковыми размерами составляет от 35 до 47 % (рис. 4). По всей вероятности, агломерация происходит на поверхности горения состава, но полного слияния частиц с превращением в сферическую частицу большего размера не происходит. В газовой фазе столкновения частиц маловероятны, так как среднее расстояние между ними намного превосходит их собственные размеры.
Таблица 3 - Изменение форм-фактора от числа частиц
N 0 1 2 3 4 5
О 12,56 12,95 13,35 13,75 14,16 14,57
Заключение
Таким образом, исследованный ансамбль частиц является сложным и имеет бимодальное распределение частиц по размерам. Основная доля частиц имеет микронные размеры, а доля крупной фракции не превышает 1 %.
Ансамбль частиц в пламени находится в постоянном развитии и это развитие имеет место, как на поверхности горящего состава, так и в самом пламени.
Литература
1. Теснер, П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы / П. А. Теснер. - М.: Химия, 1972. - 135 с.
2. Шидловский, А.А. Основы пиротехники / А. А. Шидловский. - М.: Машиностроение, 1973. -320 с.
3. Леончик, Б.И. Измерение в дисперсных потоках / Б. И. Леончик, В. П. Маякин. - М. : Энергоиз-дат, 1981. - 184 с.
4. Войтова, Л.Н. Исследование агломерации и диспергирования к-фазы при горении модельных составов с большим содержанием порошкообразных металлов / Л. Н. Войтова, Ю. В. Фролов, Г.
A. Острецов, В. Н. Степанов // Физика горения и взрыва. - 1975. - т.11, №1 - С. 33 - 43.
5. Ксенофонтов, С.И. Применение голографических методов для изучения дисперсного состава пламен конденсированных систем / С. И. Ксенофонтов, Ф. Т. Денисов // Вестн. Чуваш. гос. пед. ун-та. - 2001. - № 2 (21). - С. 172 - 177.
6. Иваницкий, Г.Р. Автоматический анализ микрообъектов / Г. Р. Иваницкий, Л. Л, Литинская,
B. Л. Шихматова. - М.:, Л.: Энергия, 1967. - 224 с.
7. Микрокомпьютеры в физиологии / Пер. с англ.; под ред. П. Фрайзера. -М. : Мир, 1990. - 383 с.
© С. И. Ксенофонтов - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. общей и теоретической физики Чувашского госуд. пед. ун-та им. И.Я. Яковлева; А. М. Порфирьев - асп. той же кафедры, рогТтеу_777@тай.ги.
