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

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Рұқсат ақылы немесе тек жазылушылар үшін

Аннотация

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.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

В. Демин

Пермский государственный национальный исследовательский университет; Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: demin@psu.ru
Ресей, Пермь; Пермь

Т. Демина

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

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

Әдебиет тізімі

  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.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
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.

Жүктеу (191KB)
Метадеректер
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.

Жүктеу (87KB)
Метадеректер
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.

Жүктеу (315KB)
Метадеректер
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.

Жүктеу (376KB)
Метадеректер
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.

Жүктеу (363KB)
Метадеректер
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.

Жүктеу (364KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2024