Технічні науки / галузеве машинобудування

Скачков В.О., Бережна О.Р., Іванов В.І., Карпенко Г.В., Моісейко Ю.В.

ТЕРМОДИНАМІЧНІ АСПЕКТИ СИЛІЦІЮВАННЯ

ВУГЛЕЦЬ-ВУГЛЕЦЕВИХ КОМПОЗИТІВ

Запорізька державна інженерна академія

Силіційовані вуглець-вуглецеві композити широко застосовують у вузлах тертя, торцевих ущільненнях і нагрівальних елементах [1,2].

Значне підвищення експлуатаційних характеристик даних композитів сягається шляхом запобігання взаємодії вуглецевих волокон з рідким кремнієм під час силіціювання, для чого на вуглецеві волокна наносять захисне покриття.

Під час розробки технології одержання захисного покриття на вуглецевих волокнах і для виключення взаємодії покриття з рідким кремнієм, вуглецем і карбідом кремнію необхідним є знання умов співіснування даних фаз. З цією метою проводили поглиблений термодинамічний аналіз реакцій у системі SI-C-O.

У зазначеній системі найбільш імовірним є протікання наступних реакцій:

                                                (1)

                                               (2)

                                              (3)

                                              (4)

                                          (5)

                                            (6)

                                               (7)

                                                  (8)

Для визначення енергії Гіббса DGР застосовували формулу

,                                               (9)

де  DHР - тепловий ефект реакції;  DSР - ентропія;  Т - температура.

Тепловий ефект реакції DHР визначали за рівнянням Кірхгофа

,                                                      (10)

де   - тепловий ефект речовини з номером k за температури Т;

;

 - стандартний тепловий ефект речовини за температури 298 K;  ,  - тепловий ефект і температура фазового переходу i-ої речовини відповідно;   - теплоємність i-ої речовини;  m - кількість речовин у реакції;  n - кількість фазових переходів у i-ій речовині.

Під час визначення теплоємності твердих речовин застосовували рівняння, запропоноване Майером і Келлі:

,                                           (11)

де  а, b, с - коефіцієнти.

Змінювання ентропії реакції DSР залежно від температури розраховували як

,                                                    (12)

де   - змінювання ентропії речовини з номером k за температури Т;

;

 - стандартне змінювання ентропії реакції за температури 298 К.

Під час обчислення енергії Гіббса використовували послідовність перетворень стабільних модифікацій, що відповідають діаграмі стану кремнезему [3]:  b-кварц Þ a-кварц Þ a-тридиміт Þ a-кристобаліт Þ кремнезем рідкий.

Розрахунок змінювань енергії Гіббса для реакцій (1)-(8) виконували на ПЕВМ для інтервалу температури 373…3173 К.

Аналіз результатів досліджень показав, що в інтервалі температур 1738...1793 K швидкість процесу утворення карбідів є надзвичайно малою. Цей температурний інтервал може бути використаний для процесів просочення вуглецевих матеріалів рідким кремнієм. У інтервалі температур вище 1873 К швидкість утворення карбідів стає значною. Проте за температури вище ніж 1923 К починається взаємодія рідкого кремнію з двооксидом кремнію. У зв’язку з цим температурний інтервал утворення карбідів композитів на основі волокон із захисним покриттям обмежується діапазоном 1873…1923 К.

Література:

1.     Конструкционные материалы на основе углерода. – М.:  Металлургия, 1977. – 173 с.

2.     Тарабанов А.С., Костиков В.И. Силицированный графит. – М.:  Металлургия, 1977. – 205 с.

3.     Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып. 1. Двойные системы. – М.: -Л.:  Наука, 1965. – 546 с.