К.т.н. Скачков В.О., Іванов В.І., Бережна О.Р., Мосейко Ю.В.
Запорізька державна інженерна академія , Україна
про осадження бору на поверхні вуглецевих волокон
Боровуглецеві композити на основі вуглецевих волокон та борної матриці відносяться до термостійких високоміцних композиційних матеріалів з низькою питомою вагою.
Для створення борної матриці застосовують метод розкладання диборан у з використанням ізотермічного реактора проточного типу, в робочому об’ємі якого відбувається осадження бору на каркасі з вуглецевих волокон, нагрітих до температури 700 К, що не супроводжується появою додаткових хімічно активних продуктів.
Для практичної реалізації процесу осадження бору на поверхні вуглецевих волокон необхідно розрахувати точні значення технологічних параметрів: температури, концентрації диборан у та швидкості його подавання до реактора.
Завданням справжніх досліджень є розробка методики визначення констант швидкостей хімічної реакції та дифузії під час осадження бору на поверхні вуглецевих волокон на основі описування фізико-хімічних процесів, що відбуваються в ізотермічному реакторі проточного типу.
Під час моделювання процесу осадження бору на поверхні вуглецевих волокон у робочому обсязі реактора вводили наступні припущення:
– розглядали круговий циліндровий реактор, для якого всі функції, що описують структуру газових потоків, не залежать від окружної координати;
– швидкість газового потоку направлена уздовж осі реактора, а швидкість дифузії газів уздовж осі є нехтувально малою;
– розглядали тільки стаціонарний, сталий та ізотермічний режим роботи реактора;
– всі гомогенні та гетерогенні реакції відповідають першому порядку;
– реактор є і зоб арни м , що значно спрощує процес моделювання [1].
Рівняння перенесення речовини за умов хімічного перетворення для поточного середовища, вважаючи, що об’ємні реакції є відсутніми, може бути подано у вигляді [2]:
, (1)
де C
i
– концентрація i-го
компоненту в об’ємі реакційного середовища;
– швидкість потоку газового середовища; D
iN
– коефіцієнт дифузії i-того компоненту в газовому середовищі з N
компонентів; t – тривалість процесу.
На реакційній поверхні в інтервалі температур 500…700 К реалізується процес осадження твердого осаду у вигляді пол і кристал і ч н ого бору за реакцією:
(2)
з появою іншого газоподібного продукту – водню, при цьому концентрація диборан у за довжиною реактора знижуватиметься через його розкладання та розбавлення воднем.
Вводячи ступінь розкладання диборан у, з урахуванням реакції (2), можна записати
;
; (3)
,
де
– концентрація диборан у на вході до реактора; U
вх
– швидкість газового потоку на вході до реактора; a – ступінь розкладання диборан у.
Значення константи швидкості розкладання диборан у можна розрахувати з використанням співвідношення
, (4)
де
, U
вх
, U
в
и
х
– швидкість реакційних газів на вході до реактора та виході з нього відповідно; b – константа швидкості дифузії; S
пит
– питома реакційна поверхня в реакторі.
Виміряна лінійна швидкість осадження бору на поверхні вуглецевих волокон може бути визначена як
, (5)
де D m – маса осадженого бору на довжині D z у точці z; r B – питома вага бору.
Обчислену швидкість осадження бору визначають за допомогою рівняння
. (6)
Співвідношення, що задає значення швидкості дифузії в об’ємі реактора на його реакційну поверхн ю, має вигляд:
. (7)
З урахуванням залежності b від коефіцієнта дифузії досить просто визначити товщину дифузійного шару.
На основі розв’язання задачі перенесення газового середовища в круговому проточному реакторі з розкладанням диборану на нагрітій поверхні вуглецевих волокон розроблено методику визначення констант швидкостей його розкладання та дифузії з об’єму реактора на поверхню вуглецевих волокон.
Список використаних джерел:
1. Денисов Е.Т. Кинетика гомогенных химических реакций / Е.Т. Денисов . – М.: Высшая школа, 1988. – 392 с .
2. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д.А. Франк-Каменецкий . – М.: Наука, 1967. – 491 с.