Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в тонкослойной системе CuO–B–стекло

Проведены экспериментальные исследования и построены математические модели волнового синтеза и теплового взрыва в тонкослойной системе CuO–B–стекло. Установлено, что распространение фронта горения происходит в многоочаговом режиме, а его скорость зависит от толщины реакционного слоя (d) по параболическому закону с максимумом при d = 4·10^–4 м. Увеличение толщины реакционного слоя способствует улучшению характеристик теплового взрыва в данной системе, а разбавление ее инертным компонентом позволяет получать медные покрытия с хорошей электропроводностью. Методом рентгенофазового анализа и оптической микроскопии показано, что покрытие состоит из сплавленных между собой капель металлической меди, окруженных расплавом боросвинцово-силикатного стекла. Покрытия имеют высокую электропроводность, сравнимую с таковой металлов. Обнаружено, что увеличение толщины слоя выше 4·10^–4 м приводит к значительному уменьшению скорости распространения фронта волны горения вследствие разрыхления исходной смеси под действием испарения адсорбированных на порошках паров воды и газов и, как следствие, к снижению теплопередачи во фронте горения. Такие покрытия электропроводностью не обладают. В макроскопическом приближении разработаны математические модели волнового синтеза и теплового взрыва в тонкослойной системе Cu–B–стекло. Проведены численные расчеты динамики процесса. Теоретические оценки удовлетворительно соответствуют данным экспериментальных исследований. Методом обратной задачи определены теплофизические и термокинетические константы процесса. На основе полученных экспериментальных данных и разработанных математических моделей получены опытные образцы пленочных электронагревателей с высокими электропроводностью и температурой эксплуатации.

1. Poate J.M., Tu K.N., Mayer J.W. (eds). Thin filmsinterdiffusion and reactions. N.Y.: Wiley-Interscience, 1978.

2. Дорфман В.Ф. Синтез твердотельных структур. М.: Металлургия, 1986.

3. Rogachev A.S. Exothermic reaction waves in multilayer nanofilms. Russ. Chem. Rev. 2008. Vol. 77. No. 12. P. 21—37.

4. Ma E., Thompson C.V., Clevenger L.A. Self-propagating explosive reactions in Al/Ni thin films. Appl. Phys. Lett. 1990. Vol. 57. P. 1262—1264.

5. Besnoin E., Cerutti S., Knio O.M. Effect of reactant and product melting on self-propagating reactions in multilayer foils. J. Appl. Phys. 2002. Vol. 92. No. 9. P. 5474—5481.

6. Swiston A.J., Hufnagel T., Weihs T.P. Joining bulk metallic glass using reactive multilayer foils. Scripta Mater. 2003. Vol. 48. P. 1575—1580.

7. Duckham A., Spey S.J., Wang J., Reiss M.E., Weihs T.P., Besnoin E., Knio O.M. Joining of stainless-steel specimens with nanostructured Al/Ni foils. J. Appl. Phys. 2004. Vol. 96. P. 2336—2342.

8. Wang J., Besnoin E., Knio O.M., Weihs T.P. Investigating the effect of applied pressure on reactive multilayer foil joining. Acta Mater. 2004. Vol. 52. P. 5265—5274.

9. Cao J., Feng J.C., Li Z.R. Microstructure and fracture properties of reaction-assisted diffusion bonding of TiAl intermetallic with Al/Ni multilayer foils. J. Alloys and Compd. 2008. Vol. 466. Р. 363—367.

10. Swiston Jr.A.J., Besnoin E., Duckham A., Knio O.M., Weihs T.P., Hufnagel T. Thermal and microstructural effects of welding metallic glasses by self-propagating reactions in multilayer foils. Acta Mater. 2005. Vol. 53. P. 3713—3719.

11. Lehnert T., Tixier S., Boni P., Gotthardt R. A new fabrication process for Ni — Ti shape memory thin films. Mater. Sci. Eng. 1999. Vol. A273-275. P. 713—716.

12. Fu Y., Du H., Huang W., Hu M. TiNi-based thin films in MEMS applications: a review. Sensors and Actuators A-Physical. 2004. Vol. 112. P. 395—408.

13. Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P., Prokudina V.K., Nikulina N.A. Efficiency of the SHS powders and production method. Int. J. SHS. 1994. Vol. 3. No. 4. P. 353—370.

14. Арзин А.П., Воронин В.П., Гузеев В.В., Кирдяшкин А.И., Максимов Ю.М., Руденский Г.Е., Хоробрая Е.Г., Шульпеков А.М. Нагревательный элемент: Пат. 55241 (РФ). 2006.

15. Merzhanov A.G. SHS technology. Adv. Mater. 1992. Vol. 4. No. 4. P. 294—295.

16. Мержанов А. Г., Мукасьян А.С. Твердое пламя. М.: Торус Пресс, 2007.

17. Puszynski J.A., Degraw A. Past and current accomplishments in production of ceramic powders and structures by self-propagating high-temperature synthesis method. Adv. Sci. Technol. 2010. Vol. 63. P. 228—235.

18. Borovinskaya I.P., Gromov A.A., Levashov E.A., Maksimov Yu.M., Mukasyan A.S., Rogachev A.S. Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis: History, theory, technology and products. Elsevier, 2017.

19. Merzhanov A.G. Self-propagating high-temperature synthesis: Twenty years of research and findings. In: Combustion and plasma synthesis of high-temperature materials. N.Y.: VCH Publishers Inc., 1990. P. 1—53.

20. Merzhanov A.G., Rogachev A.S. Structural macrokinetics of SHS processes. Pure Applied Chem. 1992. Vol. 64. No. 7. P. 941—953.

21. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967.

22. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: Справочник. Под ред. Григорьева С.Г., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991.

23. Смитлз К.Дж. Металлы: Справочник. М.: Металлургия, 1980.

24. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов: Справочник. М.: Физматлит, 1959.

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