Технические науки / отраслевое машиностроение

Скачков В.А., Иванов В И., Бережная О.Р., Мосейко Ю.В.

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ДИБОРАНА

И осаждения бора на поверхности

углеродных волокон

Запорожская государственная инженерная академия

Одним из перспективных направлений современного материаловедения является создание термостойких высокопрочных композиционных материалов с низким удельным весом. К таким материалам относятся бороуглеродные композиты на основе углеродных волокон и борной матрицы.

Для создания борной матрицы применяют диборан, который получают путем прямого взаимодействия бора и водорода при высоких температурах. Полученный диборан направляют в реактор разложения, в рабочем объеме которого происходит осаждение бора на каркасе из углеродных волокон, нагретых до температуры 700 °С. Данный процесс не сопровождается появлением дополнительных химически активных продуктов.

Практическая реализация процесса получения бороуглеродных композитов требует значения точных значений технологических параметров: температуры и концентрации диборана, а также скорости его подачи в реактор разложения.

Данный реактор является изобарным, что позволяет значительно упростить моделирование процесса осаждения бора в его рабочем объеме [1].

При моделировании вводили следующие допущения:

– рассматривали круговой цилиндрический реактор, для которого все функции, описывающие структуру газовых потоков, не зависят от окружной координаты;

– скорость газового потока направлена вдоль оси реактора, а скорость диффузии газов вдоль оси пренебрежимо мала;

– рассматривали только стационарный, установившийся и изотермический режим работы реактора;

– все гомогенные и гетерогенные реакции соответствуют первому порядку.

На реакционной поверхности в интервале температур 500…700° С реализуется процесс осаждения твердого осадка в виде поликристаллического бора по реакции:

(1)

с появлением другого газообразного продукта – водорода, при этом концентрация диборана по длине реактора будет снижаться из-за его разложения и разбавления водородом.

Уравнение переноса вещества в условиях химического превращения для текущей среды может быть представлено в виде:

, (2)

где U – скорость потока на оси реактора; C_i – концентрация i-го компонента в объеме реакционной среды; z – координатная ось, направленная по оси реактора; – константа скорости гетерогенной реакции; β_i – константа скорости диффузии, β_i = D_iN/d, – коэффициент диффузии i-того компонента в газовой среде с N компонентами; δ – толщина диффузионного слоя; S_уд – удельная площадь реакционной поверхности.

Значение константы скорости разложения диборана можно рассчитать как

, (3)

где , U_вх, U_вых – скорость реакционных газов на входе и выходе из реактора соответственно; a – степень разложения диборана.

Соотношение, которое определяет значение скорости диффузии из объема реактора на реакционную поверхность, имеет вид

(4)

С использованием решения задачи переноса газовой среды в круговом проточном реакторе с разложением диборана на нагретой поверхности углеродных волокон предложена методика определения констант скоростей его разложения и диффузии из объема реактора на поверхность углеродных волокон.

Литература:

1. Денисов Е.Т. Кинетика гомогенных химических реакций. – М.: Высшая школа, 1988. – 392 с.