Трехмерное численное моделирование процесса переноса паров кремния в ходе насыщения пористой углеродной матрицы

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Acesso é pago ou somente para assinantes

Resumo

Получено новое уравнение переноса паров кремния в постороннем газе, описывающее процесс высокотемпературного силицирования пористого углеродного волокна. Модифицированное нелинейное уравнение диффузии выводится из полной системы уравнений гидродинамики. Дополнительный конвективный перенос кремния в нем описывается квадратичным по градиенту концентрации слагаемым. Его вклад характеризуется новым параметром, который имеет такую же размерность, как коэффициент диффузии, и зависит от характеристик несущего газа. Демонстрация работоспособности полученного уравнения в частных производных осуществляется на примере трехмерного численного моделирования переноса паров кремния в реторте применительно к условиям, наиболее приближенным к некоторому технологическому процессу. Показано, что после начала испарения с зеркала расплава кремний довольно быстро заполняет практически все пространство реторты за исключением тонкого пограничного слоя вблизи изделия: предполагается, что на нем происходит полное поглощение кремния. Теоретический вывод хорошо согласуется с экспериментом, так как предлагается градиент концентрации на поверхности углеродного изделия достаточный для его силицирования за время, наблюдаемое в эксперименте. Разработанный подход противопоставляется модели чисто диффузионного транспорта, который, как оказалось, не объясняет столь интенсивный массоперенос кремния в реторте.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

В. Демин

Пермский государственный национальный исследовательский университет; Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Autor responsável pela correspondência
Email: demin@psu.ru
Rússia, Пермь; Пермь

Т. Демина

Пермский государственный национальный исследовательский университет; Институт механики сплошных сред УрО РАН

Email: demin@psu.ru
Rússia, Пермь; Пермь

Bibliografia

  1. Шикунов С.Л., Курлов В.Н. Получение композиционных материалов на основе карбида кремния силицированием углеродных матриц // ЖТФ. 2017. Т. 87. Вып. 12. С. 1871.
  2. Shikunov S., Kaledin A., Shikunova I., Straumal B., Kurlov V. Novel Method for Deposition of Gas-tight SiC Coatings // Coatings. 2023. V. 13. № 354. 15p. https://doi.org/10.3390/ coatings13020354
  3. Кулик В.И., Кулик А.В., Рамм М.С., Демин С.Е. Разработка модели и численное исследование процессов получения композитов с SiC-матрицей методом парофазного силицирования // Матер. IV Межд. конф. «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». Суздаль. М.: ИМЕТ РАН, 2012. С. 240.
  4. Кулик В.И., Кулик А.В., Рамм М.С., Демин С.Е. Численное исследование градиентных газофазных процессов получения керамоматричных композитов с SiC матрицей // Матер. V Межд. конф. «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». Суздаль. М.: ИМЕТ РАН, 2014. С. 128.
  5. Гаршин А.П., Кулик В.И., Матвеев С.А., Нилов А.С. Современные технологии получения волокнисто-армированных композиционных материалов с керамической огнеупорной матрицей // Новые огнеупоры. 2017. Т. 4. С. 20.
  6. Сон К.Э. Редуцирование полной системы уравнений химической кинетики для течений многокомпонентных высокотемпературных газов на основе метода частичного локального равновесия // ТВТ. 2020. Т. 58. № 1. С. 81.
  7. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 929 с.
  8. Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. энц. / Гл. ред. Введенский Б.А., Вул Б.М. Т. 2. 1962. 608 с.
  9. Sevastyanov V.G., Nosatenko P.Ya., Gorskii V.V. et al. Experimental and Theoretical Determination of the Saturation Vapour Pressure of Silicon in a Wide Range of Temperatures // Russ. J. Inorg. Chem. 2010. V. 55. № 13. P. 2073.
  10. Tomooka T., Shoji Y., Matsui T. High Temperature Vapor Pressure of Si // J. Mass Spectrom. Soc. Jpn. 1999. V. 47 (1). P. 49.
  11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики. Т. 6. Гидродинамика. М.: Физматлит, 2001. 736 с.
  12. Nield D.A., Bejan A. Convection in Porous Media. N.Y.: Springer, 2006. 654 p.
  13. Меньшиков А.И. Теоретические модели конденсационных и адсорбционных процессов при пропитке пористых материалов // Дис. канд. физ.-мат. наук. Томск: Нац. иссл. Томск. политех. ун-т, 2022. 139 с.
  14. Кнаке О., Странский И.Н. Механизм испарения // УФН. 1959. Т. LXVIII. Вып. 2. С. 261.
  15. Демин В.А., Демина Т.В., Марышев Б.С. Физико-математическая модель переноса газообразного кремния в ходе высокотемпературного силицирования углеродных композитных материалов // Вестн. Пермск. ун-та. Физика. 2022. № 3. С. 48.
  16. Полянин А.Д., Зайцев В.Ф. Справочник по нелинейным уравнениям математической физики. Точные решения. М.: Физматлит, 2002. 432 с.
  17. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. 831 с.
  18. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1989. 616 с.
  19. Агеева М.В., Демин В.А. Сопряженный массоперенос и иммобилизация паров кремния при пропитке пористой среды на основе углеродного волокна // Вестн. Пермск. ун-та. Физика. 2023. № 4. С. 5.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Geometry of the problem (a): 1 – sample surface, 2 – melt mirror, 3 – retort working space, 4 – linear distribution of silicon vapor concentration; (b) – comparison of silicon vapor concentration distributions for different models: 1 – solution of the classical diffusion equation, 2 – silicon concentration distribution according to the modified diffusion equation.

Baixar (191KB)
Metadados
3. Fig. 2. Stereometric image of the calculation region: the gray region is the horizontal melt mirror, the left vertical wall is the sample surface.

Baixar (87KB)
Metadados
4. Fig. 3. Silicon vapor concentration fields in a horizontal section according to the modified diffusion equation: (a) – near the bottom, (b) – slightly above the middle of the cavity.

Baixar (315KB)
Metadados
5. Fig. 4. Concentration fields of silicon vapor in a horizontal section according to the classical diffusion equation: (a) – near the bottom, (b) – slightly above the middle of the cavity.

Baixar (376KB)
Metadados
6. Fig. 5. Silicon vapor concentration fields in steady state according to the modified diffusion equation: (a) – near the bottom, (b) – slightly above the middle of the cavity.

Baixar (363KB)
Metadados
7. Fig. 6. Silicon vapor concentration fields in steady state according to the classical diffusion equation: (a) – near the bottom, (b) – slightly above the middle of the cavity.

Baixar (364KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024