Технічні науки / Хімія і хімічні технології

Скачков В.О., Іванов В.І., Шаповалов Р.А., Болюк С.В., Моісейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія

ПРО УЩІЛЬНЕННЯ пористих композиЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ пІролІтичНИМ вуглецЕМ ІЗ ПРОПАНУ

Процес заповнення пористої структури карбонізованих матеріалів піролітичним вуглецем забезпечує підвищення щільності та міцності, а також збільшення теплоємності та термостійкості композиційних вуглецевих матеріалів.

Для ущільнення пористих вуглецевих композитів широко застосовують ізотермічний процес у середовищі природного газу за температури 900...1300°С та умов зниженого тиску. Його реалізацію здійснюють у термохімічних реакторах проточного типу. Проте зазначений процес за вищенаведених умов характеризується достатньо високою вартістю. Тому вирішення проблеми конкурентоспроможності вуглецевих композитів спричинює необхідність зниження енергетичних витрат, обумовлених зазначеним рівнем температури під час реалізації процесу ущільнення.

Використання пропану як реакційного газу дозволяє значно понизити температуру піролітичного ущільнення вуглецевих композитів. У зв'язку з цим вивчали технологічні параметри процесу низькотемпературного осадження піролітичного вуглецю із пропану на поверхні пористих вуглецевих композитів.

Кінетична модель для процесу дифузійного перенесення пропану за довжиною пори та розкладання його на нагрітих поверхнях з осадженням піролітичного вуглецю може бути поданою у вигляді:

, (1)

де r - радіус пори; D, С - коефіцієнт дифузії та концентрація пропану відповідно;  - координата за довжиною пори; k - константа швидкості утворення піролітичного вуглецю; F(С) - концентраційна функція.

У рівнянні (1) константу швидкості утворення піролітичного вуглецю задають співвідношенням Арреніуса [1].

Межові умови для рівняння (1) задають як:

; (2)

, (3)

де С₀ - концентрація реакційного газу біля поверхні композиту; h - товщина композиту.

Перша умова свідчить про відповідність концентрації реакційного газу в гирлі пори та концентрації у потоці даного газу з обсягу реактора на стінку пористого вуглецевого композиту, друга - припускає симетрію процесу ущільнення вуглецевого композиту.

Розв’язання рівняння (1) з урахуванням межових умов подавали співвідношенням

, (4)

де .

Процес осадження піролітичного вуглецю у порах композиту супроводжується двома конкуруючими процесами: один - визначається швидкістю дифузії реакційного газу до пористої структури, а другий - швидкістю його розкладання на нагрітій поверхні пори з утворенням піролітичного вуглецю.

Ущільнення пористих композиційних матеріалів піролітичним вуглецем, що одержують під час розкладання пропану, досліджували з використанням спеціальної установки [2]. Як експериментальний матеріал використовували карбонізований вуглепластик з порами діаметром 0,1…100 мкм. Зразки мали товщину 9,8 мм та уявну щільність 1,08 ± 0,01 г/см³. Їхнє піролітичне ущільнення здійснювали у реакторі за тиском пропану (100,5 ± 10) кПа та його витраті (0,09 ± 0,21) ×10^-5 м³/c.

Відносну масову швидкість осадження піролітичного вуглецю обчислювали за формулою:

exp [ 0,0075×t ] , (10)

де b = (Dm / m₀)×100 %; t - тривалість процесу, год.; Dm - приріст маси зразка за рахунок осадження піролітичного вуглецю, г; m₀ - початкова маса зразка, г.

Результати проведених досліджень дозволили визначити параметри для реалізації процесу ущільнення вуглецевих композитів піролітичним вуглецем із пропану.

ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ

1. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. - М.: Химия, 1972. - 136 с.

2. Скачков В.А., Шаповалов Р.А., Иванов В.И. Определение кинетических параметров процесса осаждения пиролитического углерода / Металлургия (Труды ЗГИА). - Запорожье: ЗГИА, 2000. - Вып.3. - С.52-55.