Скачков В.О., Іванов В.І., Карпенко В.Д.

Запорізька державна інженерна академія, м. Запоріжжя,

державний завод «Вуглекомпозит», м. Запоріжжя

ОЦІНКА МЕТОДІВ УЩІЛЬНЕННЯ ПОРИСТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ КОМПОЗИТІВ ІЗ ГАЗОВОЇ ФАЗИ

Ущільнення вуглецевих композитів походить шляхом заповнення пористої структури карбонізованих заготовок піролітичним вуглецем, що осаджується із газової фази під час розкладання вуглеводнів.

Реалізацію фізико-хімічного процесу ущільнення пористих вуглецевих композитів здійснюють у термохимических реакторах проточного типу, використовуючи різні технологічні схеми.

Під час аналізу таких схем пористу структуру вуглецевих композитів припускали гладкою, енергетично однорідною поверхнею з прямолінійною циліндровою порою ефективним радіусом r, що розташована перпендикулярно до поверхні композитів.

Вважаючи наявність постійної концентрації та швидкості течії реагуючих вуглеводнів за поперечним перерізом пори, а також відсутність гомогенних процесів у її обсязі, загальне рівняння перенесення i-того вуглеводню за довжиною пори дифузією та вимушеною конвекцією, що враховує його розкладання на поверхні пори й осадження піролітичного вуглецю, записують у вигляді

, (1)

де C_i, D_i – концентрація та коефіцієнт дифузії i-го вуглеводню відповідно; W – швидкість конвективної течії газу за довжиною пори; k_i – константа швидкості створення піролітичного вуглецю під час розкладання i-го вуглеводню; t, – відповідно час і координата за довжиною пори.

Стаціонарний ізотермічний процес ущільнення вуглецевих композитів без вимушеної конвекції реалізують у реакторі із зовнішнім нагріванням та рівномірним розподілом температури за товщиною стінки матеріалу, що обробляють.

Для зазначених умов рівняння (1) приймає вигляд

. (2)

Характерною умовою стаціонарного ізотермічного процесу ущільнення композитів з вимушеною конвекцією є наявність примусової течії реагуючих вуглеводнів з постійною швидкістю W_i.

Тоді рівняння (1) можна записати як

. (3)

Реалізація стаціонарного термоградієнтного процесу ущільнення вуглецевих композитів, коли доступною для реакційному газу є поверхня матеріалу з меншою температурою, супроводжується зростанням температури за товщиною його стінки від гирла пори по її довжині. У такому разі реакційний газ прямує до пори, як із швидкістю дифузії, що збільшується, так і швидкістю розкладання на поверхні пори, що зростає.

Для стаціонарного термоградієнтного процесу ущільнення композитів з вимушеною конвекцією рівняння (1) можна записати

, (4)

де = 1,5 a; ; ×d – довжина пори; Т_В, Т_Н – відповідно температура на довжині пори d та у її гирлі; – коефіцієнт дифузії за температури Т_Н; .

Нестаціонарний процес ущільнення вуглецевих композитів із пульсуючим тиском за умов ізотерми характеризується рівномірним розподілом температури за товщиною стінки матеріалу, що ущільнюють, але початковий реакційний газ подають у пульсуючому режимі.

У такому разі рівняння (1) має вигляд

, (5)

де t – тривалість процесу.

Для нестаціонарного процесу ущільнення композитів із пульсуючим тиском за умов термоградієнту без вимушеної конвекції рівняння (1) можна записати як:

. (6)

Нестаціонарний процес ущільнення композитів із пульсуючим тиском за умов термоградієнту та вимушеної конвекції характеризують рівнянням:

Аналіз розглянутих технологічних схем процесу ущільнення пористої структури вуглецевого матеріалу піролітичним вуглецем показує:

– використання схем із пульсуючим тиском не призводить до зниження тривалості ущільнення та збільшення обсягу піролітичного вуглецю, що осаджують;

– за умов ізотермічного процесу примусове підведення реакційного газу до пористої структури зі швидкістю W збільшує кількість піролітичного вуглецю, що осаджують у обсязі матеріалу, якого ущільнюють, проте ефективність процесу обмежується моментом заростання гирла пор;

– за умов термоградієнтного процесу примусове підведення реакційного газу зі швидкістю W збільшує кількість піролітичного вуглецю, що осаджують, за довжиною пори та обумовлює зниження тривалості процесу ущільнення;

– для тонкостінних виробів із відкритим доступом реакційного газу до обох поверхонь, що обробляють, ущільнення піролітичним вуглецем за ізотермічним процесом практично відповідає ущільненню за термоградієнтним процесом. Для товстостінних виробів переважнішим є термоградієнтний процес ущільнення.