Российские нанотехнологии. 2017; 12: 9-14
Теоретический анализ процесса пассивации пирофорных нанопорошков (макрокинетический подход)
Аннотация
В данной работе предложена модель процесса воспламенения и пассивации слоя пирофорного нанопорошка. В предположении о лимитирующей роли диффузии окислителя в механизме распространения волны пассивации получена зависимость максимальной температуры нанопорошка от определяющих параметров. Предложено проводить пассивацию в две стадии, увеличив концентрацию окислителя в газовой фазе во второй стадии. Показано, что двухстадийный вариант проведения процесса пассивации позволяет уменьшить время полной пассивации слоя нанопорошка в несколько раз при допустимом уровне разогрева, что открывает новые возможности для повышения производительности процессов получения нанопорошков. Получены аналитические выражения для расчета минимального времени перехода ко второй стадии при заданном уровне повышения температуры. Численные расчеты подтвердили правильность выводов теоретического анализа, а также показали хорошее количественное совпадение результатов приближенных и численных расчетов. Предложенный макрокинетический подход является достаточно общим, однако наиболее адекватно описывает процесс пассивации пирофорных нанопорошков, так как из-за малых размеров частиц диффузия пассивирующего газа внутрь засыпки затруднена и процесс пассивации практически сразу лимитируется диффузионным переносом.
Список литературы
1. Колмаков А.Г., Баринов С.М, Алымов М.И. Основа технологий и применение наноматериалов. М.: Физматлит, 2013. 208 с.
2. Pivkina A., Ulyanova P., Frolov Y., Zavyalov S., and Schoonman J. Nanomaterials for Heterogeneous Combustion // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2004. V. 29. № 1. P. 39–48.
3. Gorrie T.M., Kopf P.W., Toby S. The kinetics of the reaction of some pyrophoric metals with oxygen // J. Physical Chemistry. 1967. V. 71. № 12. P. 3842–3845.
4. Gnedovets А.G., Ankudinov A.B., Zelenskii V.A., Kovalev E.P., Alymov M.I., Wisniewska- Weinert H. Synthesis of micron particles with Fe — Fe4N core–shell structure at low- temperature gaseous nitriding of iron powder in a stream of ammonia // Inorganic Materials: Applied Research. 2016. V. 7. P. 303–309 (in Russ.).
5. Жукова Л.А., Худяев С.И. О методе усреднения в расчетах экзотермической реакции в системе пористое тело — газ // ФГВ. 1989. № 3. C. 47–53.
6. Коловертных А.Е., Улыбин В.Б., Худяев С.И., Штейнберг А.С. К анализу режимов экзотермического превращения в пористом слое с диффузионным подводом // ФГВ. 1982. № 1. C. 72–79.
7. Hosokawa M., Nogi K., Naito M., and Yokoyama T. // Nanoparticle Technology Handbook: Elsevier, 2007.
8. Flannery M., Desai T.G., Matsoukas T., Lotfizadeh S., Oehlschlaeger M.A. Passivation and Stabilization of Aluminum Nanoparticles for Energetic Materials // Hindawi Publishing Corporation Journal of Nanomaterials. 2008. V. 2015. P. 185–199.
9. Meziani M.J., Bunker C.E., Lu F., et al. Formation and properties of stabilized aluminum nanoparticles // ACS Applied Materials & Interfaces. 2009. V. 1. P. 703–709.
10. Nagarajan and Hatton; Nanoparticles: Synthesis, Stabilization, Passivation, and Functionalization ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2008.
11. Alymov M.I., Rubtsov M.M., Seplyarsky B.S., Zelensky V.A., Ankudinov A.B. Temporal characteristics of ignition and combustion of iron nanopowders in the air // Mendeleev Commun. 2016. V. 26. C. 452–454.
12. Аlymov M.I., Rubtsov M.M., Seplyarsky B.S., Zelensky V.A., Ankudinov A.B. Synthesis and characterization of passivated iron nanoparticles // Mendeleev Commun. 2016. V. 26. 549– 551.
13. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 491 с.
14. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения. М.: Наука, 1980. 478 с.
15. Мержанов А.Г, Барзыкин В.В., Абрамов В.Г. Теория теплового взрыва от Н.Н. Семенова до наших дней // Химическая физика. 1996. Т. 15. № 6. С. 3–44.
Title in english. 2017; 12: 9-14
Теоретический анализ процесса пассивации пирофорных нанопорошков (макрокинетический подход)
Abstract
В данной работе предложена модель процесса воспламенения и пассивации слоя пирофорного нанопорошка. В предположении о лимитирующей роли диффузии окислителя в механизме распространения волны пассивации получена зависимость максимальной температуры нанопорошка от определяющих параметров. Предложено проводить пассивацию в две стадии, увеличив концентрацию окислителя в газовой фазе во второй стадии. Показано, что двухстадийный вариант проведения процесса пассивации позволяет уменьшить время полной пассивации слоя нанопорошка в несколько раз при допустимом уровне разогрева, что открывает новые возможности для повышения производительности процессов получения нанопорошков. Получены аналитические выражения для расчета минимального времени перехода ко второй стадии при заданном уровне повышения температуры. Численные расчеты подтвердили правильность выводов теоретического анализа, а также показали хорошее количественное совпадение результатов приближенных и численных расчетов. Предложенный макрокинетический подход является достаточно общим, однако наиболее адекватно описывает процесс пассивации пирофорных нанопорошков, так как из-за малых размеров частиц диффузия пассивирующего газа внутрь засыпки затруднена и процесс пассивации практически сразу лимитируется диффузионным переносом.
References
1. Kolmakov A.G., Barinov S.M, Alymov M.I. Osnova tekhnologii i primenenie nanomaterialov. M.: Fizmatlit, 2013. 208 s.
2. Pivkina A., Ulyanova P., Frolov Y., Zavyalov S., and Schoonman J. Nanomaterials for Heterogeneous Combustion // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2004. V. 29. № 1. P. 39–48.
3. Gorrie T.M., Kopf P.W., Toby S. The kinetics of the reaction of some pyrophoric metals with oxygen // J. Physical Chemistry. 1967. V. 71. № 12. P. 3842–3845.
4. Gnedovets A.G., Ankudinov A.B., Zelenskii V.A., Kovalev E.P., Alymov M.I., Wisniewska- Weinert H. Synthesis of micron particles with Fe — Fe4N core–shell structure at low- temperature gaseous nitriding of iron powder in a stream of ammonia // Inorganic Materials: Applied Research. 2016. V. 7. P. 303–309 (in Russ.).
5. Zhukova L.A., Khudyaev S.I. O metode usredneniya v raschetakh ekzotermicheskoi reaktsii v sisteme poristoe telo — gaz // FGV. 1989. № 3. C. 47–53.
6. Kolovertnykh A.E., Ulybin V.B., Khudyaev S.I., Shteinberg A.S. K analizu rezhimov ekzotermicheskogo prevrashcheniya v poristom sloe s diffuzionnym podvodom // FGV. 1982. № 1. C. 72–79.
7. Hosokawa M., Nogi K., Naito M., and Yokoyama T. // Nanoparticle Technology Handbook: Elsevier, 2007.
8. Flannery M., Desai T.G., Matsoukas T., Lotfizadeh S., Oehlschlaeger M.A. Passivation and Stabilization of Aluminum Nanoparticles for Energetic Materials // Hindawi Publishing Corporation Journal of Nanomaterials. 2008. V. 2015. P. 185–199.
9. Meziani M.J., Bunker C.E., Lu F., et al. Formation and properties of stabilized aluminum nanoparticles // ACS Applied Materials & Interfaces. 2009. V. 1. P. 703–709.
10. Nagarajan and Hatton; Nanoparticles: Synthesis, Stabilization, Passivation, and Functionalization ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2008.
11. Alymov M.I., Rubtsov M.M., Seplyarsky B.S., Zelensky V.A., Ankudinov A.B. Temporal characteristics of ignition and combustion of iron nanopowders in the air // Mendeleev Commun. 2016. V. 26. C. 452–454.
12. Alymov M.I., Rubtsov M.M., Seplyarsky B.S., Zelensky V.A., Ankudinov A.B. Synthesis and characterization of passivated iron nanoparticles // Mendeleev Commun. 2016. V. 26. 549– 551.
13. Frank-Kamenetskii D.A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoi kinetike. M.: Nauka, 1987. 491 s.
14. Zel'dovich Ya.B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., Makhviladze G.M. Matematicheskaya teoriya goreniya. M.: Nauka, 1980. 478 s.
15. Merzhanov A.G, Barzykin V.V., Abramov V.G. Teoriya teplovogo vzryva ot N.N. Semenova do nashikh dnei // Khimicheskaya fizika. 1996. T. 15. № 6. S. 3–44.
