Исследование влияния условий нагружения на свечение поверхности образца динамически нагруженной реагирующей порошковой смеси Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Исследование влияния условий нагружения на свечение поверхности образца динамически нагруженной реагирующей порошковой смеси

В.Н. Лейцин, Т.В. Колмакова, М.А. Дмитриева

Томский государственный университет, Томск, 634050, Россия

С помощью методики моделирования механохимических процессов, способных вызвать люминесценцию поверхности образца реагирующей смеси, исследуется влияние характера нагружения на свечение тыльной поверхности ударно нагруженной железоалюминиевой термитной порошковой смеси, определяемое тепловым и люминесцентным излучениями.

Effect of loading conditions on surface luminescence of shock-compressed reacting powder mixture

V.N. Leitsin, T.V. Kolmakova, and M.A. Dmitrieva

Influence of compression character on luminescence of a back surface of shock compressed iron-aluminum termite powder mixture, determined by thermal and luminescent radiations is investigated using numerical methods for modelling of mechanochemical processes capable to cause luminescence of the reacting mixture surface.

1. Введение

Перспективными методами, позволяющими дистанционно наблюдать динамику температурных превращений в реагирующих гетерогенных конденсированных системах в реальном масштабе времени, являются методы оптической пирометрии [1, 2]. Яркостные температуры излучения поверхности образцов реагирующих порошковых материалов, получаемые с помощью методов оптической пирометрии, имеют импульсный немонотонный характер. Это объясняется тем, что физикохимические процессы, происходящие в приповерхностных слоях образца реагирующей смеси сопровождаются излучением не только теплового, но и люминесцентного характера, избыточного над тепловым. На основе многоуровневой модели поведения реагирующей порошковой среды [3, 4] разработана методика исследования механохимических процессов, способных вызвать люминесценцию тыльной поверхности образца реагирующей порошковой смеси, которая позволяет получить прогноз изменения яркостной температуры поверхности образца, отделить тепловое излучение от люминесцентного [5, 6]. Актуальным является исследование влияния различных параметров на свечение поверхности образцов с целью получения информации о характере ее реагирования. Данная работа посвящена

исследованию влияния амплитуды ударного импульса на свечение тыльной поверхности ударно-нагруженной термитной порошковой смеси.

2. Методика

Суть методики моделирования механохимических процессов, способных вызвать люминесценцию тыльной поверхности образца реагирующей порошковой смеси, заключается в следующем. Излучающий приповерхностный слой образца представляется набором микрослоев элемента концентрационной неоднородности — реакционной ячейки с избыточным содержанием пластичной компоненты. Считается, что распределение микрослоев по поверхности подчиняется закону Вейбулла. Динамическое нагружение моделируется распространением по образцу макроскопически плоского ударного импульса с заданной амплитудой и длительностью. В рамках модели поведения реагирующей порошковой среды [3, 4], являющейся основой методики, решается ряд сопряженных задач: теплового баланса, ударной модификации порошковой смеси, макрокинетики химических превращений и фильтрации жидкой фазы легкоплавкого компонента. Учитываются возможность фазовых превращений компонентов, образование продукта реакции, а также механическая актива-

© Лейцин В.Н., Колмакова Т.В., Дмитриева М.А., 2004

ция реагирующих компонентов и эволюция структуры порошкового тела на всех этапах механохимических превращений. Механическое нагружение порошкового тела может привести к его модификации за счет пластической деформации компонентов, удаления оксидных и адсорбированных слоев с поверхности частиц во время действия ударного импульса. Учитывается возможность разрушения частиц приповерхностного слоя порошкового тела в результате взаимодействия первичной ударной волны с отраженной, идущей от оконного материала, расположенного под образцом. Следствием всех этих процессов является повышение реакционной способности компонентов.

Яркостные температуры теплового излучения поверхности образца реагирующей порошковой смеси Tbt, для случая использования монохроматического пирометра, рассчитываются с применением формулы, полученной по законам теплового излучения Кирхгофа и Вина:

- Т-1 = éc^lnei1, где Т — температура излучающей поверхности образца; А, — длина волны; — монохроматическая из-лучательная способность поверхности; с2 = 1.4380-•10-2 мК — вторая постоянная излучения [7, 8].

Яркостные температуры теплового излучения, для случая использования радиационного пирометра, рассчитываются по формуле, полученной с помощью закона Стефана-Больцмана:

Ты ~ у е tТ,

где — суммарная излучательная способность [7].

Процессы пластического деформирования и диспергирования частиц после выхода ударного импульса на тыльную поверхность вызывают вспышки механолюминесценции [9]. Форма импульса механолюминесценции оценивается по форме импульса мощности работы разрушения.

Процессы горения частиц порошковой смеси вызывают вспышки хемилюминесценции [10, 11]. Для оценки характера изменения хемилюминесценции используется оценка скорости прироста энтальпии компонентов порошковой смеси, определяющая режим хемилю-минесценции. Импульсный режим хемилюминесцен-ции поверхности определяется тем, что процесс горения частиц порошковой смеси инициируется в различных подобластях тыльной поверхности в различные моменты времени и продолжается до окончания процесса химических превращений.

3. Результаты

Проводилось исследование влияния условий нагружения на характер излучения тыльной поверхности. Моделировался процесс горения железоалюминиевой тер-

Рис. 1. Плотность распределения концентрации алюминия по поверхности

митной порошковой смеси с исходным размером частиц 5 мкм, характеризуемой параметром концентрационной неоднородности Ъ/а = 1.3. Распределение микрослоев реакционной ячейки по поверхности задавалось с помощью распределения Вейбулла [12]:

/ , . т \

f (х) = тт(х _ x°)m~1 exp bm

(х - х„)

где х0 — пороговое значение, при х < х0 f (х) = 0; Ъ — масштабный параметр; т — параметр наклона (модуль).

Параметры распределения Вейбулла связаны с характеристиками распределения случайной величины (математическим ожиданием а1 и дисперсией о2) следующими выражениями:

а1 = ЪГ(1 + 1/ т)+ х0,

а2 = Ъ2 (Г(1 + 2/т) - Г2(1 +1/т)).

Считается, что на тепловое излучение на длине волны 420 нм накладываются вспышки хемилюминесцент-ного излучения, за которые отвечают процессы горения частиц алюминия, а на длине волны 720 нм накладываются вспышки механолюминесценции.

На рис. 1 приведена гистограмма плотности распределения концентрации алюминия по тыльной поверхности, отвечающего распределению Вейбулла с параметрами: а1 = 0.37, О = 89.54. Каждый столбик гистограммы отвечает плотности распределения по поверхности микрослоев с соответствующей концентрацией алюминия.

Яркостные температуры теплового излучения тыльной поверхности рассчитывались для случая использования монохроматического двухканального пирометра, регистрирующего излучение на длинах волн 420 и 720 нм.

На рис. 2 представлены результаты прогноза изменения яркостных температур, определяемых тепловым излучением поверхности образца железоалюминиевой термитной порошковой смеси на длинах волн 420 и 720 нм, а также относительной интенсивности вспышек

0 4 8 (, мкс

О 4 8 (, мкс

Рис. 2. Временные зависимости яркостных температур теплового излучения поверхности и относительной интенсивности вспышек хемилюминесцентного излучения для различных амплитуд ударного импульса: 5 (а); 10 ГПа (б)

хемилюминесцентного излучения 1Ы/ 1Ъш на длине волны 420 нм, отвечающих давлениям ударного сжатия Р = 5, 10 ГПа за время излучения после выхода ударного импульса. В качестве 1Ъш использовалась интенсивность максимальной вспышки хемилюминесценции в данном вычислительном эксперименте. На рис. 3 приведены зависимости времен начала и окончания вспышек хемилюминесцентного излучения и количества вспышек хемилюминесцентного излучения от амплитуды ударного импульса.

4. Обсуждение

По представленным на рис. 2 зависимостям можно судить о наличии вспышек хемилюминесцентного излучения, свидетельствующих об инициировании процесса горения тыльной поверхности сразу же после выхода ударного импульса. Присутствие вспышек в последующие моменты времени объясняется различной интенсивностью горения механоактивированных подобластей тыльной поверхности, начавших реагировать в первые моменты времени, а также термоактивированных подобластей не реагировавших ранее. Для Р = 5 ГПа максимальная вспышка излучения наблюдается после инкубационного периода. Наличие же максимальной вспышки хемилюминесцентного излучения для Р = = 10 ГПа наблюдается в первые моменты времени. Характер изменения интенсивности хемилюминесценции поверхности отражает зависимость стартовой интенсивности химических превращений от амплитуды удар-

10 20 Р, ГПа

8 -4 -

0 ___.__I_.__I__._I___._

10 20 Р, ГПа

Рис. 3. Зависимости времен начала и окончания вспышек хемилю-минесцентного излучения (а); количества вспышек хемилюминес-центного излучения (б) от амплитуды ударного импульса

ного воздействия. Рост стартовой интенсивности химических превращений определяется увеличением степени механической активации подобластей тыльной поверхности.

Уменьшение времени окончания вспышек хемилюминесцентного излучения (рис. 3, а)) и их количества (рис. 3, б)) с ростом амплитуды ударного импульса также определяется ростом степени механической активации и, как следствие, повышением скорости реагирования порошковой смеси на поверхности.

5. Заключение

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Вспышки хемилюминесцентного излучения могут служить индикаторами процесса запуска химических превращений в локальных зонах тыльной поверхности образца в различные моменты времени после выхода ударного импульса.

2. Условия нагружения существенно влияют на величину и характер распределения вспышек люминесцентного излучения.

3. Форма, длительность и частота вспышек люминесцентного излучения определяются, наряду с условиями нагружения, степенью неоднородности порошковой смеси, величиной исходной пористости и размерами частиц порошковых компонентов.

4. При интерпретации экспериментальных данных форма, длительность и частота вспышек люминесцентного излучения могут служить источником информации

о модификации структуры порошкового тела, кинетике

механохимических процессов и т.п.

Литература

1. Долгобородов А.Ю. Исследование ударного сжатия и детонации конденсированных веществ пирометрическими методами // Сборник тезисов междунар. конф. «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны». - Саров: ВНИИЭФ, 2001. -

С. 236-237.

2. Гарколь Д.А., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В., Мухачев А.В. Новая методика высокоскоростной яркостной пирометрии для исследования процессов СВС // ФГВ. - 1994. - № 1. - С. 72-77.

3. Лейцин В.Н. Модель реагирующей порошковой среды // Вестник Томского государственного университета. Бюллетень оперативной научной информации. - Томск: ТГУ, 2001. - № 5. - 40 с.

4. Лейцин В.Н., Скрипняк В.А., Дмитриева М.А. Компьютерное моделирование механохимических процессов в порошковых смесях // Вычислительные технологии. - 2001. - Т. 6. - Ч. 2. - С. 261265.

5. Лейцин В.Н., Колмакова Т.В., Дмитриева М.А. Влияние структурных параметров ударно нагруженной железоалюминиевой термит-

ной смеси на свечение тыльной поверхности // Сборник статей молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии». - Томск: ТГУ, 2003. - С. 32-34.

6. Лейцин В.Н., Колмакова Т.В., Дмитриева М.А. Оценка эволюции параметров состояния порошковых систем методами яркостной пирометрии // Вестник Томского государственного университета. Бюллетень оперативной научной информации. - Томск: ТГУ, 2003.- № 13. - С. 16-22.

7. Линевег Ф. Измерение температур в технике. - М.: Металлургия,

1980. - 543 с.

8. Излучателъные свойства твердых материалов. - М.: Энергия, 1974.- 150 с.

9. Абрамова К.Б., Валицкий В.П., Златин НА. и др. Люминесценция

металлов, сопровождающая их деформацию и разрушение // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1976. - Т. 71.-Вып. 5. - № 11. - С. 1873-1879.

10. Жданова Л.В. Исследование спектра окисления алюминия. -Томск, 1966. - 210 с.

11. Матросов И.И. Исследование термолюминесценции геологических материалов. - Томск: Изд-во ТГУ, 1979. - 113 с.

12. Эксперименталъная механика / Под ред. А. Кобаяси. - М.: Мир, 1990. - Кн. 2. - 552 с.