Способ определения температуры горения реакционных многослойных нанопленок с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
METHOD FOR DETERMINING COMBUSTION TEMPERATURE OF MULTI-LAYERED REACTION NANOFILMS WITH SELF-PROPAGATING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS EFFECT

Изобретение относится к области нанотехнологии материалов и может найти применение при изучении свойств реакционных многослойных материалов с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в частности для определения температуры горения таких материалов. Реакционные многослойные нанопленки с большим числом чередующихся слоев обычно называются реакционной фольгой.
Реакционные многослойные нанопленки представляют собой класс энергетических материалов, обычно состоящих из двух реагентов. Эти реагенты могут стимулироваться внешним источником и быстро высвобождать запасенную химическую энергию при внезапном выбросе света и тепла. Происходит самораспространяющийся высокотемпературный синтез, в результате которого в течении долей секунд температура многослойной нанопленки, например, Ni/Al, повышается до (1500-1600)°С.
Известен способ определения температуры горения, а также температуры воспламенения многослойной реакционной фольги при помощи термопар, закрепленных на поверхности полоски фольги с двух сторон [1]. Недостатком способа является то, что термопары вносят слишком сильные искажения в процесс СВС. Термопары по сравнению с толщиной реакционных многослойных нанопленок (несколько десятков мкм) имеют значительные размеры и не успевают прогреться за доли секунд до температуры СВС.
Известен способ определения температуры горения при котором измерение температуры производится при помощи оптических методов, в частности при помощи фотодиода, предварительно калиброванного с применением пирометра [2] - прототип. Недостатки оптических методов - эти методы неточны из-за отсутствия данных о коэффициентах излучения реакционных многослойных нанопленок во время реакции СВС. А также эти методы сложны при практическом их применении, так как требуют использования дорогих оптических устройств (для электрического питания и регистрации данных измерений).
Задача изобретения. Разработка простого экономичного способа определения температуры горения реакционной нанофольги с эффектом СВС.
Эта задача достигается следующим образом. Предлагается способ определения температуры горения, основанный на измерении сопротивления полоски реакционной нанофольги до начала воспламенения и после окончания горения. Воспользуемся известной формулой для определения сопротивления полоски реакционной нанофольги при ее нагреве Rt=Rx(1+α(tcвc-to). Здесь to - начальная температура при проведении измерений; tcвc - температура горения полоски реакционной нанофольги, которую необходимо определить; α - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) полоски реакционной нанофольги; Rx - сопротивление полоски реакционной нанофольги до начала СВС; Rt - сопротивление полоски реакционной нанофольги по окончании СВС.
Во время СВС процесса электрическое сопротивление полоски реакционной нанофольги увеличится на величину Rx⋅α(tcвc-to). Отсюда температура СВС процесса будет tcвc=to+(Rt-Rx)/Rx⋅α. Для определения температуры процесса необходимо знать значение ТКС полоски реакционной нанофольги.
По сравнению с аналогом этот способ простой, позволяет в короткое время определять температуру горения реакционной нанофольги. На фигуре показано реализация способа определения температуры горения реакционной нанофольги Ni/Al. Здесь l - длина полоски реакционной нанофольги; Rн - сопротивление нагрузки для ограничения тока, проходящего через реакционную нанофольгу, от источника питания. На вход схемы подавалось напряжения Uo=0,3 В. Измерялись значения напряжения на СВС полоске (фольге) и тока, проходящего через нее до инициирования и после инициирования СВС процесса. Инициирование СВС процесса осуществлялось при помощи открытого пламени (от факела зажигалки) - по длине полоски реакционной нанофольги распространялась ярко светящаяся волна безгазового горения, в результате чего происходил сам СВС процесс. Полоска вспыхивала, сопротивление ее изменялось. Это изменение сопротивления фиксировалось вольтметром. В качестве вольтметра использовался запоминающийся осциллограф.
Результаты измерений приведены в таблице 1.
x
t
свc
-3
Здесь l - длина полоски нанофольги, d-толщина полоски нанофольги, R - сопротивление полоски нанофольги до реакции СВС, R - сопротивление полоски нанофольги после реакции СВС, t - высчитанная по формуле tcвc=to+(Rt-Rx)/Rx⋅α температура горения реакционной нанофольги. ТКС фольги определенный известным способом был равен 3,125⋅10 1/°С. Среднее значение температуры (см. табл. 1) составило 1394°С.
Для подтверждения правильности предложенного способа определения температуры горения реакционной нанофольги было произведено сравнение полученных результатов с известными литературными данными. В [3] для фольги Ni/Al приводится значение для температуры горения равное (1422±50)°С. В [4] для фольги Ni/Al приводится значение для температуры горения равное (1350-1500)°С. Отсюда следует, что наши данные по температуре горения фольги Ni/Al близки к значениям, полученным другими исследователями.
Источники информации
1. Д.Н. Кузменко и др. Влияние скорости нагрева на температуру воспламенения многослойной фольги Ti/Al. Автоматическая сварка, 11/2014, с. 24-37.
2. А.С. Рогачев, А.Г. Мержанов и др. Безгазовое горение многослойных биметаллических нанопленок Ti/Al. Физика горения и взрыва 2004, т. 40, №2, с. 45-51.
3. Structure evolution and reaction mechanism in the Ni/Al reactive multilayer nanofoils / A.S. Rogachev [et al.] II Acta Materiala, 2014, 66, 89-96.
4. URL: www. Indium.com.