Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 528691)
Консорциум Контекстум Информационная технология сбора цифрового контента
Уважаемые СТУДЕНТЫ и СОТРУДНИКИ ВУЗов, использующие нашу ЭБС. Рекомендуем использовать новую версию сайта.
Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология

Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология №7 2015 (80,00 руб.)

0   0
Страниц89
ID326383
АннотацияМеждисциплинарное издание, охватывающее подразделы теоретической химии, процессы и аппараты химической технологии. Рассматриваются проблемы на стыке физики и химии и химического аппаратостроения. Журнал публикует обзоры, статьи, краткие сообщения и научно-методические проблемы.
Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология [Электронный ресурс] .— 2015 .— №7 .— 89 с. : ил. — Режим доступа: https://rucont.ru/efd/326383

Также для выпуска доступны отдельные статьи:
СОПРОТИВЛЕНИЕ ОКИСЛЕНИЮ УГЛЕРОД – УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР ДИФФУЗИОННОГО ТОРМОЖЕНИЯ / Колесников (60,00 руб.)
ЛОКАЛЬНАЯ АТОМНАЯ СТРУКТУРА РАЗУПОРЯДОЧЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ / Рудь (60,00 руб.)
ПОЛУЧЕНИЕ ПЕНОГРАФИТА С ФЕРРИМАГНИТНЫМИ ЧАСТИЦАМИ МАГНЕТИТА / Иванов (60,00 руб.)
СОРБЕНТЫ ИЗ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ КАТИОНОВ МЕТАЛЛОВ И НЕФТЕПРОДУКТОВ / Яковлев (60,00 руб.)
СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМОТРОНА ПОСТОЯННОГО ТОКА / Шавелкина (60,00 руб.)
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ДОБАВОК НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОРИСТОСТИ УГЛЕГРАФИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ / Нонишнева (60,00 руб.)
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ГАЛЛИЕМ И ИНДИЕМ Pd/СИБУНИТ КАТАЛИЗАТОРЫ ЖИДКОФАЗНОГО ГИДРИРОВАНИЯ АЦЕТИЛЕНА / Смирнова (60,00 руб.)
НАНОГРАФИТЫ И ИХ ПЛЕНОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ НА РАЗЛИЧНЫХ ПОДЛОЖКАХ / Николенко (60,00 руб.)
СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ СПЕЧЕННЫХ МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОАЛМАЗОВ / Витязь (60,00 руб.)
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИБРИДНЫХ АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН, СПЕЧЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОПОРОШКОВ АЛМАЗА ПОПИГАЙСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ / Шульженко (60,00 руб.)
ПРЕВРАЩЕНИЕ МНОГОСЛОЙНОГО ГРАФЕНА В АЛМАЗНУЮ ПЛЕНКУ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИИ: ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ / Антипина (60,00 руб.)
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ОТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ ГРАФИТИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ / Дыскина (60,00 руб.)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ С НАНОАЛМАЗАМИ / Полушин (60,00 руб.)
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА КИНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОТВЕРЖДЕНИЯ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СВЯЗУЮЩИХ НА ПРИМЕРЕ ЭПОКСИДНЫХ СМОЛ / Хасков (60,00 руб.)
СТРУКТУРНО-ГРУППОВОЙ СОСТАВ ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИХ НЕФТЯНЫХ ПЕКОВ / Валинурова (60,00 руб.)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ АНТРАЦЕНОВОЙ ФРАКЦИИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ / Дмитриев (60,00 руб.)
ИСТОЧНИКИ ОБЩЕГО ОСВЕЩЕНИЯ С АВТОКАТОДАМИ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ / Шешин (60,00 руб.)
ЛЕЗВИЙНЫЕ АВТОКАТОДЫ ИЗ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА / Макарова (60,00 руб.)
АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН / Колодяжный (60,00 руб.)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Т 58 (7) ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2015 УДК 666.764.4:621.762.01 С.А. Колесников СОПРОТИВЛЕНИЕ ОКИСЛЕНИЮ УГЛЕРОД – УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР ДИФФУЗИОННОГО ТОРМОЖЕНИЯ (Акционерное общество «НИИграфит», Госкорпорации «Росатом») e-mail: Skolesnikov02@mail.ru В области контроля скорости окисления диффузионными процессами в температурном интервале от 1200 К и до температур сублимации сохраняется и значимая роль свойств углеродного вещества, его структуры и состава. <...> Влияние природы углеродного материала на скорость окисления в диффузионном режиме изучено не достаточно. <...> В настоящее время разрабатываются углеродные конструкционные материалы на базе новых типов прекурсоров углеродных наполнителей и матриц. <...> Ключевые слова: конструкционный графит, углерод-углеродные композиционные материалы, удельная скорость окисления, кристаллическая структура, каталитически активные примеси, надмолекулярная структура углеродного вещества, эмпирическая аппроксимация, диффузионный режим окисления Углеродные конструкционные материалы (УКМ), в том числе углерод – углеродные композиционные (УУКМ), востребованы в современных высокотемпературных агрегатах. <...> По результатам исследований механизма окисления углеродных материалов и графита [1,2] выделяют две характерные области: - преобладание влияния кинетических параметров на скорость окисления (рабочий интервал температур, как правило, от 750 К до 1200 К); - область ограничения скорости окисления диффузионными явлениями (температурный интервал от 1200 К и до температур сублимации углеродного вещества). <...> 7 3 Целью настоящей работы является попытка обобщения экспериментальных данных по окислению углеродных материалов с предложением аппроксимационных зависимостей, учитывающих значимую роль в настоящем процессе свойств углеродного вещества, его структуры и состава. <...> Объемно армированные углеродным волокном <...>
Известия_высших_учебных_заведений._Химия_и_химическая_технология_№7_2015.pdf
Т 58 (7) ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2015 УДК 666.764.4:621.762.01 С.А. Колесников СОПРОТИВЛЕНИЕ ОКИСЛЕНИЮ УГЛЕРОД – УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР ДИФФУЗИОННОГО ТОРМОЖЕНИЯ (Акционерное общество «НИИграфит», Госкорпорации «Росатом») e-mail: Skolesnikov02@mail.ru В области контроля скорости окисления диффузионными процессами в температурном интервале от 1200 К и до температур сублимации сохраняется и значимая роль свойств углеродного вещества, его структуры и состава. Влияние природы углеродного материала на скорость окисления в диффузионном режиме изучено не достаточно. В настоящее время разрабатываются углеродные конструкционные материалы на базе новых типов прекурсоров углеродных наполнителей и матриц. Недостаточный учет особенностей структуры и состава вещества создает высокую степень риска при применении изделий из этих материалов в ответственных областях техники. Целью настоящей статьи является обобщение экспериментальных исследований определения окислительной стойкости углеродных материалов и предложение для них аппроксимационных зависимостей. Ключевые слова: конструкционный графит, углерод-углеродные композиционные материалы, удельная скорость окисления, кристаллическая структура, каталитически активные примеси, надмолекулярная структура углеродного вещества, эмпирическая аппроксимация, диффузионный режим окисления Углеродные конструкционные материалы (УКМ), в том числе углерод – углеродные композиционные (УУКМ), востребованы в современных высокотемпературных агрегатах. При экстремальных температурах при постепенном окислении поверхности, сопровождаемом образованием газообразных продуктов, механические характеристики в объеме материала не снижаются в течение времени, достаточного для эксплуатации изделия. По результатам исследований механизма окисления углеродных материалов и графита [1,2] выделяют две характерные области: - преобладание влияния кинетических параметров на скорость окисления (рабочий интервал температур, как правило, от 750 К до 1200 К); - область ограничения скорости окисления диффузионными явлениями (температурный интервал от 1200 К и до температур сублимации углеродного вещества). Результатом обширных исследований явилась разработка расчетных моделей прогнозирования скорости окисления в том числе и в диффузионном режиме процесса [3-5]. В современных образцах техники [5-7] рабочие температуры поверхности после относительно коротких времен нагрева соответствуют диффузионному режиму процесса. Методика [3] применяется при прогнозировании окислительного уноса углеродных узлов сопел ракетных двигателей [5,6]. Методика [5] используется для прогнозирования уноса за счет окисления ведущих кромок гиперзвуковых летательных аппаратов. Расчетные полуэмпирические методы [3,5] основаны на учете интенсивности потока газа (коэффициент массопередачи в кг/м2·с), окислительного потенциала рабочего газа (мольная концентрация окислителя), средней молекулярной массы окислителя (в форме ее отношения к молекулярной массе углерода), давления газа (МПа) и описания атомно-молекулярных процессов на поверхности согласно Аррениусу. Для оценки влияния различия структуры углеродных материалов на скорость окисления вводят подгоночные константы, которые определяют решением обратной задачи. ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2015 том 58 вып. 7 3
Стр.1
Целью настоящей работы является попытка обобщения экспериментальных данных по окислению углеродных материалов с предложением аппроксимационных зависимостей, учитывающих значимую роль в настоящем процессе свойств углеродного вещества, его структуры и состава. В работе использованы собственные и литературные результаты определения скорости окисления в лабораторных установках проточного, циркуляционно-проточного типов и лабораторного газо-динамического стенда [8,9]. Окислителями служили О2, СО2 и в некоторых случаях Н2О. Окислительный потенциал во всех опытах соответствовал воздуху (≈0,087). Все испытания проведены при атмосферном давлении. Скорость потока окислителя от 1 до 200 м/с (последнее в газодинамическом стенде). При этих условиях скорость массового потока окислителя к поверхности образца находится в пределах 0,12-0,36 кг/м2·с. Температура образца в установках окисления определялась термопреобразователями, а в газодинамическом стенде и в высокотемпературных испытаниях в работе [2] – оптическими методами. Удельная поверхность по БЭТ образцов после испытаний не более, чем вдвое превышала исходный уровень. Все результаты получены из убыли массы образцов в процессе испытаний. Скорость окисления с учетом кажущейся плотности каждого материала рассчитана в размерности кг/м2·с. Рис. Экспериментальные результаты испытаний удельной скорости окисления (m, кг/м2с) образцов графита и углеродуглеродных композитов, и аппроксимационная зависимость для эталонного материала на базе пиролитического графита от температуры поверхности (Tw, K): 1 – «ГМЗ» [18, 19]; 2 – «ВПП» [13, 20]; 3 – «ГМЗ» [17]; 4 – пиролитический графит вдоль оси «а» [21]; 5 – технический графит [26]; 6 – пиролитический графит [6]; 7 – «Граурис»; 8 – пиролитический графит вдоль оси «с» [21]; 9 – пиролитический графит «УПВ-1»; 10 – «МПГ-8» [21]; 11 – «ВПП-1000» [21]; 12 – «ВПП-2800» [21]; 13 – «СУ2000» [21]; 14 – «АГ-1500 Б-83» [23]; 15 – УУКМ [24]; 16 – «ГР-28» [2]; 17 – «ГМЗ» [31]; 18 – УУКМ «ТКМ-1000»; 19 – УУКМ «ТКМ-2800 12 % ПУ»; 20 – УУКМ «ТКМ-2800 90 % ПУ»; 21 – УУКМ «КУП ВМ ПУ»; 22 – УУКМ 2Д ПУ [27]; 23 – «Десна Т1»; 24 – «Десна-4»; 25 – «МПГ-7(1)»; 26 – «КМ-ВМ-2Д»; 27 – Технический графит [28]; 28 – УУКМ 3Д ПУ[27]; 29 – «ГР 14» окисление воздухом [2]; 30 – «ГР 14» окисление СО2 [2]; 31 – «ГР 14» окисление Н2О [2]; 32 – «В-1» [30]; 33 – «УПВ-1» окисление в направлении «с» [20]; 34 – «НИГРАН» [17]; 35 – «В-1» [25]; 36 – «ППГ» [22]; 37 – «ЭГ-0» [31]; 38 – «ЭГ-0-ПУ» [31]; 39 – «ПУ-1000» [31]; 40 – сублимация графита [25]; 41 – сублимация графита [29]; 42 – аппроксимация по выражению (2) Fig. Experimental results of tests of specific rate of oxidation (m, kg/m2s) of samples of graphite and carbon-carbon composites and an approximation dependence to reference material on the basis of pyrolytic graphite on surface temperature (Tw, K): 1 – "GMZ" [18, 19]; 2 – "WPP" [13, 20]; 3 – "GMZ" [17]; 4 – pyrolytic graphite along the axis of the "a" [21]; 5 – technical graphite [26]; 6 – pyrolytic graphite [6]; 7 – "Grauris"; 8 – pyrolytic graphite along an axis "c" [21]; 9 – pyrolytic graphite "UPW-1"; 10 – "MPG-8» [21]; 11 – "WPP1000" [21]; 12 – "WPP-2800" [21]; 13 – "SY-2000" [21]; 14 – "AG-1500 B-83" [23]; 15 – UUKM [24]; 16 – "GR-28" [2]; 17 – "GMZ" [31]; 18 – UUKM "TKM-1000"; 19 – UUKM "TKM-2800 12 % PU"; 20 – UUKM "TKM-2800 90 % PU"; 21 – UUKM KUP-VM-PU; 22 – UUKM 2D PU [27]; 23 – "Desna T-1"; 24 – "Desna-4"; 25 – "MPG-7 (1)"; 26 – "KM-VM-2D"; 27 – technical graphite [28]; 28 – UUKM 3D PU [27]; 29 – GR-14 air oxidation [2]; 30 – GR-14 oxidation with CO2 [2]; 31 – GR-14 oxidation with H2O [2]; 32 – W-1 [30]; 33 – "UPW-1" oxidation in the direction "c" [20]; 34 – "NIGRÁN" [17]; 35 – "W-1" [25]; 36 – "PPG" [22]; 37 – "EG-0" [31]; 38 – "EG-0-PU" [31]; 39 – "PU-1000" [31]; 40 – sublimation of graphite [25]; 41 – sublimation of graphite [29]; 42 – approximation for the expression (2) зависимости скорости окисления (в кг/м2·с) от температуры образца (TW, К). Полученные собственные результаты испытаний выделены полуРезультаты приведены на рисунке в виде 4 жирным шрифтом. Материалы «ТКМ» (изотропный углерод-углеродный композит), «Граурис» (двумерно армированный углерод-углеродный композит на основе углеродной ткани из вискоХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2015 том 58 вып. 7
Стр.2
зы), «КУП-ВМ-ПУ» (двумерно армированный углерод-углеродный композит на основе углеродных волокон из полиакрилонитрила), «УПВ-1» (анизотропный пиролитический графит) и «ПУ» (пиролитический углерод ортоторопной структуры) получены с применением пиролитических технологий с газовыми прекурсорами [16]. Объемно армированные углеродным волокном из полиакрилонитрила углерод-углеродные материалы «Десна Т-1», «Десна-4» [10-12], а также двухмерно армированный «КМ-ВМ-2Д» получали с применением изостатической карбонизации из жидких углеводородов – каменноугольных пеков. Конструкционные графиты МПГ, ВПП, В-1, ППГ, ГМЗ, ЭГ-0, НИГРАН и ГР-14 получали на основе каменноугольных пеков и порошков углеродных коксов. Все исследованные конструкционные материалы обладали плотностью более 1,75…1,8 г/см3, а размеры основного объема пор не превышали 3…5 мкм, что уменьшает вклад внутренней поверхности порового объема в искажение результатов. Как видно различие скорости окисления при равных температурах процесса может составить до порядка величины в диффузионном режиме и несколько порядков величины в кинетическом режиме. Однако, общая тенденция результатов неизменна. Аппроксимационную зависимость скорости окисления от температуры провели по нижней границе полученных результатов. В широком интервале температур эта зависимость совпадает со скоростью окисления пиролитического графита в потоке окислителя направленном перпендикулярно поверхности его осаждения (кристаллографическая ось «с»). Зависимость с коэффициентом парной корреляции R2=0,9992 может быть представлена в виде:  mexp TW n      41000 , RTW (1) где n – из экспериментальных данных аппроксимируется выражением n=0,0003TW+0,01334; Ω – оператор, означающий, что окисление конструкционных графитов и УУКМ при температуре ниже 750…800 К отсутствует (при TW<750…800 K ṁ=0). Комплекс Ω/(TW)n, вероятно, отражает меΩ=855,27lnTW-5674 ханизмы диффузии окисляющего газа в поровом пространстве и в пограничном слое к поверхности окисления. Относительное замедление возрастания числителя по мере роста температуры может быть связано с уменьшением глубины фронта окисления в объеме углеродного материала. Традиционно это описывается относительным уменьшением энергии активации по мере повышения температуры выше ≈950 К. Относительное возрастание величины знаменателя комплекса по мере роста температуры может быть связано с изменением механизма диффузии окислителя в пограничном слое. В выражении (1) общий облик зависимости базируется на экспоненциальном выражении по Аррениусу, что означает сохранение роли кинетических механизмов горения до температур сублимации. Такой подход обоснован в фундаментальных работах Е.С. Головиной [2], приоритет которых признан в настоящее время, как в отечественных, так и в современных зарубежных работах по разработке углеродных материалов для ракетной техники. По представленным результатам испытаний и литературным данным выделяем влияние структурных особенностей и состава на окислительную стойкость конструкционных УГМ и УУКМ. 1. Известно [13,19,22], что две группы углеродных атомов в кристаллите находятся в резко различающихся энергетических условиях – sp2 и sp3 гибридизация. Это приводит и различию уровней поверхностной энергии, соответственно ~0,3 и ~1,9 мДж/моль, химической и физической активности. В анизотропном пиролитическом графите скорость окисления в кристаллографическом направлении «а» (вдоль графенового слоя) в 8…9 раз превосходит скорость окисления в поперечном направлении – «с» (по нормали к поверхности графенового слоя) [20,21]. Все другие виды углеродных материалов в силу их технологических особенностей представляют собой смешанные статистические наборы кристаллических структур. При совершенствовании кристаллической структуры углеродных материалов относительная доля углеродных атомов с sp2 гибридизацией существенно снижается. Степень совершенствования кристаллитов УГМ и УУКМ оценивают измерением среднего междуслоевого расстояния в кристаллите (d002). Общепринятой количественной мерой этого процесса принята степень графитации g,%. В указанном выше модельном газогенераторе нами испытаны образцы углерод - углеродного композиционного материала «Десна Т-1» с различной предельной температурой технологической обработки с последующим измерением плотности, пористости и степени графитации. В итоге с высокой степенью достоверности установлена только зависимость константы скорости окисления (К, кг/м2·с) от криХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2015 том 58 вып. 7 5
Стр.3