РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПЛАМЕНИ ПЛЕНОЧНОЙ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ

Аннотация: Теплофизическая анизотропия в конденсированной металлополимерной композиции создается ориентированными металлическими частицами чешуйчатой формы с высоким значением теплопроводности. При горении теплофизическая анизотропия приводит к изменению формы поверхности горения и образованию особой формы фронта пламени. Двухстадийное горение частиц алюминиево-магниевого сплава в фторсодержащем окислителе (Ф-42) создает температурные неоднородности в пламени. Максимальная температура пламени определяется фазовым переходом фторида магния из парообразного состояния в конденсированное.

Ключевые слова: металлополимерная композиция, алюминиево-магниевый сплав, фторопласт, теплопроводность, температура, фронт пламени, поверхность горения.

В работе изучалась структура пламени пленочной металлополимерной композиции на основе алюминиево-магниевого сплава ПАМ-4 и фторопласта Ф-42. Порошок ПАМ-4 подвергался механической обработке в шаровой мельнице в течение 30 минут. При этом частицы металла превращались в плоские фигуры толщиной 10 мкм. Для образования тесного контакта между частицами металла и фторорганического окислителя обработанный металлический порошок вводился в 10% раствор фторопласта в ацетоне. Полученная композиция с помощью кисти наносилась на деревянную подложку. При нанесении композиции кистью, из-за деформации сдвига большинство частиц в слое укладывается параллельно подложке. После высыхания первичного слоя можно наносить повторные слои. Меняя концентрацию раствора можно регулировать толщину наносимого слоя.

Теплопроводность алюминия при температуре 300 К равна 237 Вт (м К)-1 . Фторопласт и деревянная подложка обладают низкой теплопроводностью – 0,23 Вт (м К)-1 и 0,15 Вт (м К)-1 соответственно. Полученная пленка металлополимерной композиции обладает теплофизической анизотропией.

Теплопроводность пленки измерялась на приборе ИТ-λ-400 . Пленку помещали в измерительную ячейку таким образом, что направление теплового потока и слои металлических частиц располагались параллельно либо перпендикулярно друг к другу. При этом теплопроводность состава в первом случае на два порядка превышала теплопроводность во втором случае. Значение теплопроводности состава меняется при изменении массовой концентрации металла (рис. 1). На графике теплопроводность состава выражена в логарифмической шкале.

При поливе раствора на подложку, частицы металла располагались хаотически и анизотропия теплопроводности исчезала. Например, при концентрации металла 70% теплопроводность по всем направлениям равна 73 Вт (м К)-1.

Для изучения яркостной структуры пламени и распределения температуры в ней использовался фотопирометрический метод с применением компьютерных технологий. В основе метода лежит сравнение яркости эталона с яркостью зон пламени. Эталон и пламя фотографировались через плотный светофильтр ПЗС-камерой. Полученное цифровое изображение обрабатывалось программными средствами для получения распределений яркости и температуры пламени . При совпадении яркости эталона и исследуемой зоны пламени яркостную температуру эталона приписывали температуре этой зоне пламени. Так как исследуемое пламя относится к оптически плотным, то измеренная яркостная температура равна истинной температуре пламени.

Высокая пористость пленки, полученная при интенсивном испарении ацетона, приводит к большой скорости распространения пламени по поверхности состава. Увеличению скорости распространения пламени способствует образование рециркуляции продуктов сгорания на передней кромке пламени.

Скорость распространения пламени зависит от процентного содержания металлического горючего в составе. Экспериментально определенные значения скорости пропорциональны квадрату концентрации металла в композиции (рис. 2):

где С – концентрация металла, выраженная в процентах. Полученные значения скорости соответствуют однослойным пленочным составам. Данная зависимость позволяет прогнозировать скорость распространения пламени.  а  б

Теплофизическая анизотропия пленочного состава формирует поверхность горения в виде параболы. Истекающие, перпендикулярно к поверхности горения, продукты сгорания и разложения взаимодействуют между собой. Огибающая потоков образует фронт результирующего пламени. Над деревянной подложкой образуется высокий столб светящегося пламени.

Прямая фотография пламени приведена на рис. 3а. Оптическая обработка изображения пламени позволяет получить распределение яркости в нем . Изофоты пламени, линии одинаковой яркости, оцифрованные в относительных единицах яркости, приведены на рис. 3б. Как видно, самая яркая зона пламени расположена у основания пламени параллельно поверхности подложки.

Программными средствами получено распределение температуры в пламени . В принципе, распределения, как яркости, так и температуры идентичны, так как излучение оптически плотных пламен подчиняется законам теплового излучения.

Распределение температуры у основания пламени, полученное фотопирометрическим методом , приведено на рис. 4. Зона пламени с максимальной температурой, равной 2543 К, расположена параллельно оси ох и находится на расстоянии 7 мм от поверхности горения. Температура приповерхностного слоя горения, определенная в различных точках, равна 1937 К. Градиент температуры между зоной максимальной температуры и поверхностью горения (направление 5) составляет 85,5 К/мм. Градиент температуры в направлении распространения пламени (1) – 48,5 К/мм, в противоположном направлении (4) – 27 К/мм. Самый низкий градиент температуры оказался вдоль оси оу (2) – 8 К/мм. Расчеты позволили оценить температуру поверхности горения, составляющую ~ 600 К, при которой фторопласт начинает разлагаться и газифицироваться.

Зона максимальной температуры пламени располагается на переднем фронте. Зависимость максимальной температуры от высоты пламени приведена на рис. 5.  На начальном участке зависимости )(maxhT имеет место резкое изменение градиента максимальной температуры. При температуре 2400 К и ниже значение градиента температуры уменьшается. Аналитическое выражение  )(maxhT описывается степенной зависимостью вида ,maxbAhT где A и b коэффициенты, зависящие от толщины пленочного состава.

В пламени выделена зона с максимальной температурой, равной 2543 К. Согласно справочным данным , данная температура соответствует температуре фазового перехода фторида магния из парообразного состояния в конденсированное. Другой продукт горения, фторид алюминия, при таких температурах сублимирует. Образование конденсированного фторида магния у основания пламени говорит о двухстадийном процессе горения алюминий-магниевого сплава в фторсодержащем окислителе. Алюминий начинает гореть после выгорания магния, и реагирование происходит более продолжительное время. При этом образуются более сложные частицы, содержащие  сажу. Малый градиент температуры в пламени вдоль направлений 3 (dT/dr = 10,5 К/мм) и 4 подтверждает об активном горении металла.

Для выяснения механизма горения пленочного состава исследовалось горение образца, вырезанного из основной пленки. Образец укладывался на металлическую пластину из нержавеющей стали и подвергался нагреву. Процесс нагрева наблюдался под микроскопом. При температуре 673 К фторопласт начинал разлагаться с выделением низкомолекулярных продуктов.