3.3 Влияние стехиометрического соотношения Al/Al₂O₃ на процесс СВС

Для изучения влияния состава шихты на конечный продукт при синтезе варьировалось стехиометрическое соотношение между алюминием и оксидом алюминия. Данные по соотношению между Al и Al₂O₃ и соответствующий им выход продукта приведен в таблице 8. Мы определили минимальное значение содержания алюминия в шихте, при котором возможно инициировать процесс СВС. Это значение соответствует соотношению между алюминием и оксидом алюминия равного 3,3/3,35. При дальнейшем уменьшении содержания алюминия поджечь шихту не получилось. Также мы определили оптимальное максимальное содержание алюминия, которое соответствует соотношению Al/Al₂O₃ равного 3,8/3,1. При увеличении содержания алюминия, больше максимального значения не имело смысла, поскольку реакция протекает очень бурно и происходит выброс реакционной смеси из реактора.

Таблица 8 ? Выходы конечных продуктов горения

Стехиометрическое соотношение Al/Al2O3	Выход, %
	Без внешнего воздействия	E, кВ/м
		181	167	139
3,3/3,35	86,1	76,8	83,1	38,7
3,4/3,3	71,7	76,4	82,9	91,4
3,5/3,25	59,4	63,8	69,4	88,2
3,6/3,2	51,9	61,1	66,4	81,9
3,7/3,15	61,1	46,2	50,6	53,1
3,8/3,1	45,1	25,4	27,9	59,8

Максимальный выход продукта SrMgAl₁₀O₁₇: Eu²⁺ наблюдался при соотношении Al/Al₂O₃ - 3,3/3,35. Дальнейшее исследование влияние электрического поля на процесс СВС проводилось при выбранных соотношениях Al/Al₂O₃. Выходы люминофора соответствующих определённому соотношению Al/Al₂O₃ и напряженности электрического поля приведены в таблице 8.

3.4 Люминесцентные характеристики конечных продуктов СВС

Для всех образцов была измерена относительная яркость свечения. В качестве эталона использовался люминофор синего свечения Л-47. Относительная яркость полученных образцов приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Относительная яркость полученных образцов

Стехиометрическое соотношение Al/Al2O3	Относительная яркость, %
	Без внешнего воздействия	E, кВ/м
		181	167	139
3,3/3,35	62,2	76,0	77,0	71,6
3,4/3,3	54,1	70,7	74,0	56,4
3,5/3,25	59,1	62,7	66,2	57,4
3,6/3,2	53,0	72,3	58,3	52,4
3,7/3,15	42,8	68,5	33,6	51,8
3,8/3,1	56,5	43,8	56,0	55,5

Как видно из таблицы 9, наибольшая относительная яркость наблюдается в серии при соотношении алюминия к оксиду алюминия равного 3,3/3,35.

Максимальная яркость свечения наблюдается для образца, полученного при воздействии электрического поля средней напряженности.

3.5 Рентгенофазовый анализ продуктов СВС

Так как максимальная относительная яркость свечения наблюдается для образцов, полученных при стехиометрическом соотношении Al/Al₂O₃ равного 3,3/3,35, поэтому эти образцы были исследованы рентгенофазовым анализом на наличие фаз. На рисунке 3.1 приведена рентгенограмма образца полученного без внешнего воздействия.

Рисунок 3.1 - Рентгенограмма образца, полученного без воздействия электрического поля

Рентгенофазовый анализ показал наличие двух фаз:

1) сложный алюминат стронция и магния SrMgAl₁₀O₁₇

2) шпинель - моноалюминат магния MgAl₂O₄.

Основной фазой является сложный алюминат стронция и магния, его содержание в образце составляет 90%, а алюмината магния 10% (Рисунок 3.1).

Для удаления простых алюминатов, продукт обрабатывали 5 % -ым раствором соляной кислоты в течении 1 часа. Возможно время обработки нужно увеличивать, поскольку полностью удалить алюминаты не удается.

Рисунок 3.2 - Рентгенограмма образца, полученного при воздействии электрического поля E=181 кВ/м

На рисунке 3.2 представлена рентгенограмма образца, полученного при воздействии электрического поля напряженностью 181 кВ/м. В данном образце также содержится 2 фазы в том же соотношении:

1) сложный алюминат стронция и магния SrMgAl₁₀O₁₇

2) шпинель - моноалюминат магния MgAl₂O₄.

Рисунок 3.3 - Рентгенограмма образца, полученного при воздействии электрического поля E=167 кВ/м

На рисунке 3.3 представлен образец, полученный при воздействии электрического поля 167 кВ/м. В образце так же присутствуют 2 фазы:

1) сложный алюминат стронция и магния SrMgAl₁₀O₁₇

2) шпинель - моноалюминат магния MgAl₂O₄.

Но содержание основной фазы незначительно уменьшилось.

Рисунок 3.4 - Рентгенограмма образца, полученного при воздействии электрического поля E=139 кВ/м

Рентгенограмма образца, полученного при напряженности электрического поля 139 кВ/м представлена на рисунке 3.4 В данном случае происходит незначительное повышение содержания сложного алюмината стронция и магния (Рис.3.4).

Таким образом, в каждом образце содержится по 2 фазы:

1) сложный алюминат стронция и магния SrMgAl₁₀O₁₇

2) шпинель - моноалюминат магния MgAl₂O₄.

Содержание этих фаз практически не меняется от воздействия электрического поля. Отличия находятся в пределах ошибки определения. Содержание фаз, при различной напряженности электрического поля приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Содержание фаз, при различной напряженности электрического поля.

Стехиометрическое соотношение Al/Al2O3	Напряженность, кВ/м	Содержание фазы, масс. %
		SrMgAl10O17	MgAl2O4
3,3/3,35	Без внешнего воздействия	90	10
	181	90	10
	167	89	11
	139	92	8

По данным таблиц 9 и 10, можно сделать вывод, что фазовый состав продукта не влияет яркость свечения.

Для объяснения зависимости яркости свечения от воздействия электрического поля мы сравнили ширину интенсивного пика отсканированного на малых углах для разных образцов. Был выбран первый самый интенсивный пик.

При сравнении ширины пиков на рисунке 3.5 видно, что при воздействии электрического поля пики сужаются. Сужение пиков в области малых углов говорит о том, что в электрическое поле способствует образованию более совершенных кристаллов, с меньшим количеством дефектов. Поэтому, при приложении электрического поля относительная яркость свечения возрастает.

Рисунок 3.5 - Изменение ширины пиков в рентгенограммах

Если сравнивать ширину пиков образцов, полученных при различной напряженности электрического поля (Рисунок 3.6), то видно, что самый узкий пик у люминофора полученного при напряженности 167 кВ/м. И именно этот образец обладал максимальной яркостью свечения.

Таким образом, в электрическом поле происходит образование кристаллов с меньшим количеством дефектов. И этот процесс максимально проявляется при средней напряженности поля.

Рисунок 3.6 - Изменение ширины пиков в рентгенограммах образцов, полученных при различной напряженности электрического поля

Выводы

1. Осуществлен самораспространяющийся высокотемпературный синтез алюмината стронция, активированного европием во внешнем электрическом поле.

2. Установлено влияние стехиометрического соотношения алюминия к оксиду алюминия на выход люминофора и режим горения шихты в электрическом поле. Оптимальное стехиометрическое соотношение Al/Al₂O₃ является значение 3,3/3,35.

3. Показано, что внешнее электрическое поле не влияет на фазовый состав продукта.

4. Изучено влияние внешнего электрического поля относительную яркость свечения. Максимальная относительная яркость свечения наблюдается при напряженности поля 167 кВ/м. Повышение относительной яркости свечения связано с образованием более совершенных кристаллов люминофора при действии электрического поля средней напряженности.

Список использованных источников

1. Барзыкин В.В. Горение гетерогенных конденсированных систем, содержащих продукты реакции / В.В. Барзыкин, А.Г. Мержанов, А.Г. Струнина // 23 Межд. Симпозиум по горению, Институт горения, Питсбург. - 1990. - С.1725-1731.

2. Дубровин A. C. Металлотермические процессы в черной металлургии / A. C. Дубровин // В сб. Процессы горения в химической технологии и металлургии. Черноголовка. - 1975. - С.29-41.

3. Матвеева Н.М. Упорядоченные фазы в металлических системах / Н.М. Матвеева, Э.В. Козлов //. - 1989. - С.56-57.

4. Алдушин А.П. Автоколебательное распространение фронта горения в гетерогенных конденсированных средах / А.П. Алдушин // Физика горения и взрыва. - 1973. - Т.9, №5. - С.613-626.

5. Барзыкин В.В. Инициация СВС-систем / В.В. Барзыкин // Теор. и прикл. химия. - 1992. - Т.64, № 7, - С.909-918.

6. Зельдович Я.Б. Теория горения и детонации газов/ Я.Б. Зельдович // М.: Издательство АН СССР. - 1944.

7. Борисов А.А. Электрические и эмиссионные свойства продуктов взрыва тугоплавких гетерогенных взрывчатых смесей / А.А. Борисов // Химическая физика. - 2002. - Т.21, № 11. - С.52-63.

8. Гордополов Ю.А. Ударные волны в исследования высокотемпературного самораспространяющегося синтеза. / Ю.А. Гордополов, А.Г. Мержанов // АИАА, Прог. Астронавт. и Aэронавт., - 1993. - Т.154. - С.539-559

9. Вадченко С.Г. Турбулентное горение водорода в пристенной струе истекающей в спутный сверхзвуковой поток воздуха / С.Г. Вадченко, А.М. Булаев, Ю.А. Гальченко, А.Г. Мержанов // Физика горения и взрыва. - 1987. - № 6. - С.46-56.

10. Горелик С.С. Рентгенографический и электронооптический анализ / С.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков. // М.: Металлургия, - 1970. - 107 с.

11. Боровинская И.П., Химические классы процессов и материалов СВС / И.П. Боровинская // Теор. и прикл. Химия. - 1992. - Т.64, № 7. - С.919-940.

12. Качин А.Р. Закономерности и механизм СВС-наплавки твердых сплавов/ А.Р. Качин, С.П. Синев, В.И. Юхвид, В. B. Кустова, И.П. Боровинская. // Черноголовка: ИСМАН. - 1988. - 14 с.

13. Левашов А.Е. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / А.Е. Левашов, А.С. Рогачев, В.И. Юхвид, И.П. Боровинская. // М.: Издательство БИНОМ. - 1999. - 176 с.

14. Пужанский Ю.А. Аспекты химического машиностроения передовых керамических материалов. / Ю.А. Пужанский // Журнал промышленной и инженерной химии. - 1996. - Т.35. - С.349-377.

15. Хэггерти Ж.С. Реакция на основе метода обработки для керамики и композитов. / Ж.С. Хэггерти, Ю. M. Чанг // Керам. Инж. Научн. ПР., - 1990. - Т.11, № 7-8. - С.758-781.

16. Шкадинский К.Г. Распространение пульсирующего фронта экзотермической реакции в конденсированной фазе / К.Г. Шкадинский, Б.И. Хайкин, А.Г. Мержанов // Физика горения и взрыва. - 1971. - Т.7, № 1. - С. 19-28.

17. Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений / А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская // Доклады Академии наук СССР. - 1972. - Т. 204, № 2. - С.366-368.

18. Столин A. M. Зарубежные школы СВС / A. M. Столин. // Черноголовка: ИСМАН. - 1998.

19. Хусид Б.М. Структурные превращения при безгазовом горении гетерогенных систем с плавящимся металлическим реагентом / Б.М. Хусид, А.Г. Мержанов // Доклады Академии наук СССР. - 1988. - Т.298, №.2. - С.414-417.

20. Munir Z. A. Self-propagating exothermic reactions: the synthesis of high-temperature materials by combustion / Z. A Munir // Materials Science Reports. - 1989. - V.3, No 7 - 8. - P.277-365.

21. Мержанов А.Г. Научные основы, достижения и перспективы развития процессов твердопламенного горения / А.Г. Мержанов // Известия Академии наук. Серия химическая. - 1997. - № 1. - С.8-32.

22. Merzhanov A. G. SHS extrusion of long sized articles from metalloceramic materials / A. G. Merzhanov, A. M. Stolin, V. V. Podlesov // Journal of the European Ceramic Society. - 1997. - V.17, No 2 - 3. - P.447-451.

23. Grigor'e Yu. M. SHS coatings / Yu. M. Grigor'e, A. G. Merzhanov // InternationalJournalofSHS. - 1992. - V. l, No 4. - P.600-639.

24. Баловнев Ю.А. О трех состояниях водорода, адсорбированного на пленках никеля / Ю.А. Баловнев, И.И. Третьяков // Ж. Физ. Хим. - 1965. - Т.39, № 7. - С.2144-2148.

25. Андреев К.К. Теория взрывчатых веществ / К.К. Андреев, А.Ф. Беляев. // М.: Оборонгиз. - 1960. - 595 с.

26. Максимов Ю.М. Спиновое горение безгазовых систем. / Ю.М. Максимов, А.Т. Пак, Г.В. Лавренчук // Физика горения и взрыва. - 1979. - №3. - С.156-159.

27. Каратасков С.А. Закономерности и механизм горения плавящихся гетерогенных систем в поле массовых сил. / С.А. Каратасков, В.И. Юхвид, А.Г. Мержанов // Физика горения и взрыва. - 1985. - № 6. - С.41-43.

28. Бахман H. H. Предельные случаи горения смесевых систем. / H. H. Бахман // ДАН. - 1959. - Т.129. - С.1079.

29. Максимов Ю.М. Генерация и перенос электрического заряда при СВС на примере системы Co-S / Ю.М. Максимов // Физика горения и взрыва. - 2000. - Т.36, № 5. - С.130-133.

30. Гурвич А.М. Введение в физическую химию кристаллофосфоров: учеб. пособие для вузов / А.М. Гурвич. // М.: Высш. Школа. - 1982. - 376 с.

Размещено на Allbest.ru