Проверка расчетных моделей и результаты моделирования

33
тиц ограничивается величиной d
ср
<0,5 мкм. Соответствие полученных расчетных 
данных экспериментальным зависимостям k=f(d) (рис. 22, г) свидетельствует об 
общем характере установленных закономерностей влияния размерного и струк-
турного факторов на реакционную способность металлов различной природы.
Рисунок 22 – Экспериментальные (1, 5) и расчетные (2–4, 6–8) зависимости (а) 
α=f(τ) про-
цессов окисления субмикронных порошков Cu (d=0,07–0,6 мкм, 180
°С) (1–4) и Al (d=0,05–
0,9 мкм, 500
°С) (5–8); (б, в) вид расчетных функций массового распределения частиц (номера 
кривых на рис. а–в совпадают); г) экспериментальные зависимости k=f(d
ср
) процесса окисле-
ния образцов Cu (1) при 180
°С и Al (2) при 500°С
На основе кинетических, электронно-микроскопических данных и результа-
тов моделирования предложена феноменологическая модель окисления металлов 
с различной структурой и дисперсностью, которая позволяет выделить основные 
макрокинетические режимы протекания процесса: диффузионный – реализуется 
при окислении компактных металлов и грубодисперсных порошков с размерами 
структурных фрагментов более 10 мкм; в результате процесса формируется слой 
конденсированного продукта с высоким диффузионным сопротивлением; реакци-
онный фронт продвигается равномерно, процесс описывается параболическими 
зависимостями типа 
α
2
=f(
τ) и протекает по механизму Вагнера; кинетический – 
реализуется при окислении металлических частиц диаметром менее 5 мкм; фор-
мирование слоя конденсированного продукта протекает при равномерном разви-
тии фронта взаимодействия и может сопровождаться его деструкцией вследствие 
немонотонности изменения теплофизических характеристик (растрескивание), 
диспергированием вследствие независимого характера роста зародышей фазы 
продукта с образованием неплотного слоя с низким диффузионным сопротивлени-
ем; формирование конденсированного продукта реакции протекает в результате 
неравномерного развития реакционного фронта, образование зародышей фазы 
продукта носит локальный характер, их рост происходит независимо друг от друга 
и приводит к образованию высокодисперсного продукта реакции; кинетический 
режим сменяется диффузионным – реализуется при окислении частиц диапазона 
5–10 мкм, имеющих выраженную зеренную структуру; при окислении компактных 
металлов с УМЗ и СМК структурой, оксидные слои которых характеризуются вы-
сокими значениями отношения молярных объемов оксид/металл; в этом случае 
фронт взаимодействия первоначально развивается вдоль границ зерен и сопрово-
ждается формированием напряжений в поверхностном окисленном слое металла 

34
за счет различий объемов продукта и металла с последующей его деструкцией; 
после образования слоя продукта значительной толщины окисление протекает в 
диффузионном режиме.
Аналогичный подход использован для моделирования процесса теплоперено-
са при взаимодействии высокодисперсных порошков Al с водой. Определены ус-
ловия перехода реакции в неизотермический режим, показан общий характер 
влияния размеров частиц на закономерности процессов окисления порошков ме-
таллов в воздухе и в водных растворах.
В седьмой главе проанализировано состояние проблемы определения реак-
ционной способности важных в техническом отношении нанодисперсных и объ-
емных наноструктурированных металлов. Из рассмотренных данных следует, что 
единая система оценки их устойчивости в условиях градиентов температуры и при 
контакте с коррозионно-активными средами в полной мере не разработана. Полу-
ченный при выполнении работы значительный объем экспериментальных данных 
свидетельствует о существенном повышении реакционной способности компакт-
ных металлов с субмикрокристаллической структурой и высокодисперсных по-
рошков по отношению к взаимодействию с газообразными реагентами и раство-
рами при относительно низких температурах в сравнении с соответствующими 
металлами с крупнокристаллической структурой.
Таблица 8 – Перечень сертифицированных разработок
по системе аттестации нанопорошков металлов 
№ 
п/п 
Наименование разработки 
Номер гос-
регистрации 
Объекты 
1. ГСО «Температура начала окисления нанопо-
рошков металлов» 
9460-2009 
2. ГСО «Степень окисленности нанопорошков 
металлов» 
9459-2009 
3. ГСО «Тепловой эффект окисления нанопорош-
ков металлов» 
9458-2009 
4. ГСО «Относительное содержание размерных 
фракций нанопорошка» 
9461-2009 
Нанопорошки Mg, 
Al, Cr, Zn, Mn, Fe, 
Ni, Sn, Pb, Cu и их 
сплавов 
5. Методика измерения теплового потока при го-
рении нанопорошков металлов и прибор для 
измерения мощных тепловых потоков «Термо-
мет-1» 
МИ 109-2011 
Нанопорошки Mg, 
Al, Ti, Zr 
На основе установленных закономерностей разработаны и зарегистрированы 
методики определения ряда наиболее важных физико-химических характеристик 
их активности (экспериментальные величины температур начала окисления, тем-
пературные интервалы полного окисления, максимальные значения скорости, от-
ношения эффективных констант скорости для образцов с различной дисперсно-
стью), а также соответствующие Государственные стандартные образцы (табл. 8). 
Разработанные регламенты проведения измерений и стандартные образцы могут 
служить основой по созданию нормативной документации для нанотехнологий по 
производству и применению нанодисперсных металлических порошков: техниче-

35
ские условия, маршрутные карты, технологические регламенты, правила ТБ при 
переработке, хранении и транспортировке нанопорошков.

жүктеу/скачать 3,5 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: