Способ определения скорости распространения фронта горения в реакционных многослойных нанопленках с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза Российский патент 2021 года по МПК G01N25/30 B82Y35/00 

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 скорости распространения фронта горения таких материалов. Реакционные многослойные нанопленки с большим числом чередующихся слоев обычно называются реакционной фольгой (нанофольгой).

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 из чередующихся двух слоев, например, Ni/Al, повышается до (1500-1600)°С. По поверхности и объему нанопленки распространяется фронт горения со скоростями от единиц до десятков м/с.

Известен способ определения скорости распространения фронта горения с использованием высокоскоростных видеокамер [1]. Процесс горения регистрируется скоростной видеокамерой Motion Scope с частотой съемки 500 кадр/с. Скорость распространения фронта горения определяется путем покадровой обработки скоростной видеозаписи. Недостатком такого способа является дороговизна используемого оборудования и длительный процесс обработки видеозаписи. Также известен аналогичный способ определения фронта горения с использованием видеокамеры с более высокой частотой съемки до 6000 кадр/с [2]. За счет более высокой частоты съемки достигается также более высокая разрешающая способность способа. Недостаток - дороговизна используемого оборудования и длительный процесс обработки результатов видеозаписи.

Известен способ определения скорости распространения фронта горения с помощью «линейки» оптических волокон, расположенных в ряд вдоль направления распространения реакционной волны (распространения фронта горения), при этом другие концы волокон были выведены на фотодиод [3] - прототип. При прохождении светящегося фронта мимо очередного оптического волокна на осциллограф подается электрический сигнал от фотодиода. Недостаток способа - низкая точность, обусловленная конечными размерами оптических волокон и высокая трудоемкость процесса определения скорости распространения фронта горения.

Задача изобретения - разработка простого способа определения скорости распространения фронта горения, обладающего высокой точностью и низкими затратами на его осуществление (материальными и временными).

Эта задача решается следующим образом. Предлагается способ определения скорости фронта горения реакционных многослойных нанопленок с использованием запоминающего осциллографа на который подается электрический сигнал от полоски реактивной многослойной нанопленки, которая находится под электрическим потенциалом при осуществлении СВС (процесса горения). Сущность предлагаемого способа приведен на фиг. 1. Здесь - длина полоски реакционной многослойной нанопленки; Rн - сопротивление нагрузки для ограничения тока, проходящего через реакционную многослойную нанопленку, от источника питания. На вход схемы подается напряжение Uo, например, равное 0,3 В. При помощи запоминающего осциллографа измеряются значения напряжения на сопротивлении нагрузки Rн до инициирования и после инициирования СВС процесса. Инициирование СВС процесса осуществляется при помощи открытого пламени (от факела зажигалки) - по длине полоски распространяется ярко светящаяся волна безгазового горения, в результате чего происходит сам СВС процесс. Полоска вспыхивает, электрическое сопротивление ее изменяется. Это изменение сопротивления приводит к изменению напряжения на нагрузочном резисторе. Использование запоминающего осциллографа позволяет фиксировать изменения напряжения с длительностями в несколько мкс. Зная длину полоски реакционной нанопленки и время прохождения реакции СВС (время горения полоски нанопленки) можно рассчитать скорость фронта горения реакционной нанопленки:

где V - скорость фронта горения, - длина полоски нанопленки, t - время изменения напряжения на нагрузочном резисторе (время горения полоски нанопленки). Это время находится из осциллограммы, зафиксированной запоминающим осциллографом.

На фиг. 2 приведена стилизованная осциллограмма напряжения на нагрузочном резисторе при осуществлении СВС процесса реакционной нанопленки. Здесь по оси Υ - напряжение V на нагрузочном резисторе, по оси X - время прохождения реакции СВС, t - время изменения напряжения на нагрузочном резисторе (время горения полоски нанопленки).

По сравнению с прототипом этот способ более простой, позволяет в короткое время и с высокой точностью определять скорость фронта горения реакционной нанопленки.

В качестве примера была изготовлена нанопленка Ni/Al разной толщины, на полосках которых проводились замеры скорости фронта горения. На фиг.3 показана осциллограмма напряжения на нагрузочном резисторе в момент прохождения реакции СВС. Результаты замеров приведены в таблице 1.

Получены скорости фронта горения нанопленки от 1,58 м/с до 2,92 м/с, что одного порядка с данными [4] - 1,96 м/с и [5] - 6,5 м/с. Некоторое различие результатов объясняется использованием разных технологий изготовления реакционной нанопленки.

Источники информации

1. 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.

2. L.A. Clevenger, C.V. Tompson, K.N. Tu. J. Appl. Phys., 67, 2894 (1990).

3. M.E. Reiss, C.M. Esber, D.Van Heerden, A.J. Gavens, M.E. Williams, T.P. Weihs. Mater. Sci. Eng. A, 261,217(1999.

4. Adams D.P. Reactive multilayers fabricated by vapor deposition: a critical review // Thin Solid Films. 2015. Vol. 576, pp. 98-128.

5. URL: www. Indium.com.

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 скорости распространения фронта горения таких материалов. Задача изобретения - разработка простого способа определения скорости распространения фронта горения, обладающего высокой точностью и низкими затратами на его осуществление (материальными и временными). Предлагается способ определения скорости фронта горения реакционных многослойных нанопленок, основанный на использовании осциллографа, принимающего электрический сигнал от фотодиода при прохождении фронта горения, отличающийся тем, что электрический сигнал, подаваемый на осциллограф, принимается от нагрузочного резистора, подключенного последовательно с полоской реакционной многослойной нанопленки, которая подключена к источнику электрического тока, и по времени изменения напряжения на нагрузочном резисторе определяется расчетным путем скорость горения реакционной многослойной нанопленки по формуле где V - скорость фронта горения, - длина полоски нанофольги, t - время изменения напряжения на нагрузочном резисторе (время горения полоски нанофольги). 3 ил., 1 табл.

Способ определения скорости фронта горения реакционных многослойных нанопленок, основанный на использовании осциллографа, принимающего электрический сигнал при прохождении фронта горения нанопленки, отличающийся тем, что электрический сигнал, подаваемый на осциллограф, принимают от нагрузочного резистора, подключенного последовательно с полоской реакционной многослойной нанопленки, которая подключена к источнику электрического тока, и по времени изменения напряжения на нагрузочном резисторе определяют расчетным путем скорость горения реакционной многослойной нанопленки по формуле где V- скорость фронта горения, - длина полоски нанопленки, t - время изменения напряжения на нагрузочном резисторе во время горения полоски нанопленки.