Математические модели сибирских ученых позволят прогнозировать протекание сложных термических процессов в порошковой смеси из никеля и алюминия

В журнале первого квартиля Combustion and Flame в начале 2021 года выйдет статья под названием “High-temperature synthesis in activated powder mixtures under conditions of linear heating: Ni–Al system”, подготовленная Вадимом Прокофьевым, ведущим научным сотрудником отдела структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН, профессором ФТФ ТГУ, и Валерием Филимоновым, главным научным сотрудником Института водных и экологических проблем СО РАН, профессором Алтайского государственного технического университета в Барнауле.

С помощью методов численного математического моделирования сибирским ученым удалось показать протекание процесса высокотемпературного синтеза в механически активированной порошковой смеси из никеля и алюминия в условиях нагрева системы внешним источником, подтвердив экспериментальные данные. Одним из самых значимых результатов стало то, что исследователи впервые предложили критерии зависимости температуры воспламенения смеси от времени, затраченного на активацию механической смеси.

Как поясняют авторы работы, получение интерметаллидов (химических соединений нескольких металлов) для создания композиционных материалов с уникальными свойствами относится к числу самых значимых задач современного материаловедения. Поэтому сейчас активно развиваются технологии порошковой металлургии, в том числе и с применением методов высокотемпературного синтеза. Поэтому очень важно получить полное представление о ходе этого процесса, описать оптимальные условия для его протекания.

– На первой стадии происходит измельчение смеси с использованием специализированных планетарных мельниц, что позволяет сформировать нужную структуру порошка, очистить его от окислов и примесей, – рассказывает Вадим Геннадьевич. – Затем из полученного порошка формируется нужный образец, который подвергается высокотемпературному синтезу. Благодаря предварительному измельчению частиц упрощается процесс проведения химической реакции, снижается ее активационный барьер.

Ранее несколько групп исследователей из России и США рассмотрели эти процессы и представили результаты своих экспериментальных работ на примере смеси никель-алюминий, которая является одной из самых распространенных. Но всегда важно дополнять экспериментальные данные расчетами, полученными с помощью методов математического моделирования. За решение этой задачи и взялись В.Г. Прокофьев и В.Ю. Филимонов, сотрудничество которых успешно развивается вот уже десять лет.

Важным этапом стало решение интересной нелинейной задачи, занявшее около полугода: серьезную сложность представляло то, что ряд описываемых параметров постоянно менялся на несколько порядков. Тем значимее стали полученные расчеты: они подтвердили данные экспериментов, полученные ранее. В своей статье ученые представили описание процесса динамического теплового взрыва. Одним из интересных моментов, описанных в публикации, стало установление критериев зависимости температуры воспламенения от оптимального времени механической активации смеси, что позволит прогнозировать оптимальные условия для организации процесса горения. Полученные математические модели могут в будущем применяться и для других смесей и безусловно будут полезны экспериментаторам.