Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Так, алмаз почти в 1,5 раза плотнее, его теплопроводность в 30 раз выше, а теплоемкость в 1,5 раза меньше. Физические свойства аморфного углерода интересны тем, что его теплопроводность в 30 раз меньше, чем у графита, а температура воспламенения в кислороде лишь чуть превышает 600 К, тогда как графит остается инертным до 800 К.
Графитизация алмаза и аморфного углерода на воздухе начинается при температурах выше 1300 К. Тройная точка графит — жидкость — пар приходится на давление 1,1 10т Па и температуру 4200 К. Выпускаемый промышленностью графит — это разнообразные по структуре кристаллические частицы, скрепленные связующим. Технический графит получают прессованием и сильным нагревом твердых углеродов типа нефтяного кокса, смешанного с каменноугольным пеком или какими-либо другими высокоуглеродными связующими (фенолформальдегидными смолами и др.).
Графитизация проводится в электрических печах при температурах от 2800 до 3300 К. Исследования дифракции рентгеновских лучей показывают, что почти все происходящие на этой стадии изменения являются результатом повышения степени упорядоченности кристаллитов, присутствующих в обожженном состоянии, и что увеличения нх размеров практически не происходит. В процессе графитизации обожженного изделия из нефтяного кокса удельное сопротивление материала уменьшается в 5 раз, теплопроводность повышается в 25 раз, коэффициент термического расширения уменьшается на 507е. Особняком стоит пирографит, образующийся при термическом разложении на горячей поверхности (при тщательно контролируемых внешних условиях) газообразного углеводорода — метана СНо При обтекании специальной подложки (обычно это тот же промышленный графит) метан разлагается, а газообразный углерод конденсируется на горячей поверхности, имеющей температуру от 2300 до 2600 К.
При меньшей температуре реакция идет очень медленно, а при большей преобладает обратный процесс — взаимодействие углерода с водородом и метаном. Атомы углерода осаждаются на подложку упорядоченным образом, слой на слой, образуя правильную структуру с более высоким, чем у технического графита, отношением прочности к массе. Плоскости отдельных шестиугольных частиц пирографита параллельны поверхности осаждения, но не имеют регулярной структуры. Анализ показал, что пнрографит обладает высокоориентированной структурой кристаллов.
Хотя технический графит в процессе прессования (трамбовки) также становится анизотропным, отношение числа кристаллов, ориентированных своей главной осью по нормали к поверхности, к ориентированным параллельно ей, у него не превышает 2: 1, тогда как у пнрографита это от1вз ношение равно 1000: 1. Высокая степень структурной аннзотропии пн. Три режима окна Т а бл и ив 7-2.
Теплофивические свойства графита теплопроаодность, Вт!(м К) теплоемкость, кдм/(кг К) по нормали к поаерхностн параллельно поаерхностн ! г,к Пирографит, р=2200 кг/ма 500 1300 1,2 0,33 350 160 0,8 2,0 Обычный технический графит, р=!730 кг/м' 55 35 !300 2,0 Это соотношение отличается от закона Видемана — Франца, описывающего электронную проводимость в металлах. В графите перенос тепловой энергии примерно на 99% происходит за счет колебаний кристаллической решетки, а электронная проводимость мала. Это положение подтверждается также тем, что добавка в графит бора изменяет его электрические свойства в широких пределах без заметного воздействия на теплопроводность.
Пирографнт не новая модификация графита (в 1880 г. был выдан патент на его получение), однако только в современной технике он нашел широкое применение. Единственным недостатком пирографита является его большой коэффициент линейного расширения, что приводпт при нагреве к разрыву подложки под пирографитовой оболочкой.
Для предотвращения этого явления в состав пирографита вводят несколько процентов карбида кремния (однако при этом несколько увеличивается его теплопроводиость). Скорость горения пирографита при взаимодействии с высокотемпературным потоком воздуха меньше, чем у обычных марок графита, поч- рографита находит свое отражение в столь же сильной анизотропии коэффициента теплопроводности (табл.
7-2). Заметим, что при Т=1300 К графит имеет соответственно Х, в 150 раз выше, чем пирографит. Плотность пирографита составляет около 2200 кг/м'. Интересно, что тепло- емкость слабо зависит от сорта графита и его ориентации. Существует определенная связь между теплопроводностью и электропроводностью различных сортов графита, значения проводимостей которых отличаются более чем вдвое.
При комнатной температуре теплопроводность с точностью ~5% может быть вычислена по величине электропроводности о, которая легко поддается экспериментальному определению. Показано, что в этих условиях справедливо равенство )с = 0,13п, где Х вЂ” в Вт/(м К), а о — в Ом/см. Химическое взаимодействие потока с покрытием ти в 10' раз, т.
е. в данном случае мы имеем дело с так называемой «медленной» кинетикой процесса, Это, вероятно, связано с высокой плотностью поверхности пирографита, существенно уменьшающей площадь реакции. 7-2. Кинетический и диффузионный режимы окисления При анализе теплообмена в многокомпонентном ламинарном пограничном слое диссоциированного воздуха на непроницаемой поверхности (гл. 2) было показано, что хорошее совпадение с точным численным расчетом дает модель бинарной смеси. Разрушение теплозащитного материала, в частности графита, существенно усложняет картину течения, поскольку теперь в смеси присутствуют три компоненты или более с отличающимися свойствами, имеющие встречные направления диффузии.
Более того, вопрос о замороженности нли равновесности физических свойств в потоке также требует дополнительного анализа, поскольку продукты разрушения, проникая в пограничный слой, могут претерпевать многочисленные химические превращения. При высоких температурах возможны следующие реакции между углеродом и компонентами воздуха (указаны независимые реакции): С+ О = СО (реакция Р1); С+ М = СЫ (реакция РЗ); С + О, = СО (реакция Р2); 2С + Мз = Сказ (реакция Р4).
Заметим, что при высоких температурах активной компонентой становится и азот (особенно атомарный). Кроме выписанных реакций приходится учитывать также взаимодействие между компонентами самого набегающего потока: О+ О = О, (реакция Рб); О, + )т(т = 21чО (реакция Р7); М + (т) = Ыз (реакция Рб). И, наконец, необходимо рассмотреть возможность образования паров самого углерода С, Сз, Сз и т.
д. Они могут образовываться как при сублимации поверхности графита, так и в результате диссоциации газообразных продуктов химического взаимодействия графита с кислородом и азотом. Обычно предполагают, что пары образуются только в результате сублимации (учет возможной диссоциации углеродсодержащих компонент в пограничном слое хотя и меняет существенно механизм выноса со стенки атомов и молекул углерода, однако мало влияет на суммарные параметры разрушения).
Оценки констант равновесия в законах действующих масс показывают, что прн температурах поверхности выше 2000 К и давлении, близком к атмосферному, помимо паров углерода, на стенке могут присутствовать СО, СОт и С(ч, а также четыре 179 компоненты из внешнего потока О, Оь )т), )чз. На внешней границе по- Кииетичеекий и ииффузиоииый режимы окие граничного слоя приходится еще учитывать ХО. Итак, пограничный слой в данной задаче должен рассматриваться как многокомпонентный, Обратимся к основным методам ее решения.
Если считать, что скорости химических реакций внутри пограничного слоя равны нулю (замороженное течение), то уравнения ламинарного пограничного слоя 1Л. 7-21 в окрестности точки торможения затупленного тела будут иметь вид: — (риг) + — (рог) = О; д д дх ду ди ди др д / де 1 ри — + ро — = — — + — ~)х — ); дх ду дх ду 1 ду) дТ дТ д ! дТ~, дТ Рис + Рос„— = — 1Х вЂ” ) — ХРс, сгл "У'; —; дх ду ду 1 ду ) ' е' ' ду ,ри — + ро — = — — (рс, Р;), ( = 1, 2, „„и.
дел дел д дх ду ду (7-3) .и- и, = (дис7дх)х; Т- Т,; с,— ссе, причем концентрации всех компонент, отсутствующих в набегающем потоке, стремятся к нулю по мере приближения к границе погранично- го слоя: ссо,.=со,е= =О. Все представленные на стенке и в пограничном слое компоненты содержат три химических элемента: углерод, кислород и азот. Для двух из них можно выписать независимые соотношения для массовых потоков на стенке: р ~~р,'с~с,$', + 6 2;ср,'с>с,. = тх для содержащих С компонент; .р 2,; ~р,'и> с, У,.
+ 6 ~~Р~ ~у<У~ сс = О для содержащих 7т' компонент, с (7-4' В отличие от более общих уравнений, представленных в гл. 2, данная система уравнений многокомпонентного пограничного слоя не со. держит диссипативных членов в уравнении энергии, однако она не связана с ограничениями на бинарность смеси (закон Фика). Все обозначения описаны в гл.
2. Граничные условия на поверхности тела заранее неизвестны, за исключением того очевидного факта, что продольная составляющая ско-. рости равна нулю: ,и=О при у=О. На внешней границе пограничного слоя Химическое взаимодействие потока с покрытием а также кривых упругости насыщенных паров углерода Р,, =7,(7'.); й=1 —:7. Кинетика сублимации каждой из компонент Ск описывается уравнением Ленгмюра — Кнудсена: 6 = па (Р' — Р 1()~ 2пТ тс!М . (7-6) Полный расход вещества за счет сублимации равен сумме расходов отдельных компонент 6,: Здесь р; — парциальные давления 1-тых компонент газовой смеси; с; — их массовые концентрации; Р„" — давление насыщенного пара й-ой компоненты; К, — константы равновесия для реакции (Р,).
Кроме того, записывается баланс энергии на поверхности графита: (Х вЂ” — ) рс,. )т, 7,) — 6„1 + 6 7 — Х, — ' — еоТ„' = О, (7-7) индекс ( ) соответствует газовой фазе, а ( ),— твердой. В режиме квазистационарного разрушения, который будет проанализирован в данной главе, тепловой поток, идущий внутрь графитового тела, может быть выражен через расход массы и энтальпию непрогретого материала Уье, (7-8) Кроме указанных граничных условий, обычно из расчетов химического равновесия следует, что концентрации атомарного азота и окиси (7-9) азота на поверхности равны нулю: с „= с = О. 172 причем ~р(с1, р1м1 — массовое содержание данного элемента в 1-й компоненте (например, для углерода в СО трсо =12/28).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
