Способ определения температуры горения реакционных многослойных нанопленок с эффектом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза Российский патент 2021 года по МПК B82B1/00 G01K7/16 G01N25/50 

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.

Здесь l - длина полоски нанофольги, d-толщина полоски нанофольги, R_x - сопротивление полоски нанофольги до реакции СВС, R_t - сопротивление полоски нанофольги после реакции СВС, t_свc - высчитанная по формуле tcвc=to+(Rt-Rx)/Rx⋅α температура горения реакционной нанофольги. ТКС фольги определенный известным способом был равен 3,125⋅10^-3 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.

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. Предлагается способ определения температуры горения реакционных многослойных нанопленок, основанный на применении электрических методов. Температуру горения определяют по изменению электрического сопротивления полоски реакционной многослойной нанопленки до и после процесса самораспротраняющегося высокотемпературного синтеза, и температура горения tcвc рассчитывается по формуле tcвc=to+(Rt-Rx)/Rx⋅α, где to - температура до начала СВС, Rx - сопротивление полоски реакционной многослойной нанопленки до начала СВС, Rt - сопротивление полоски реакционной многослойной нанопленки после окончания СВС, α - температурный коэффициент сопротивления реакционной многослойной нанофольги. Технический результат – повышение информативности и экспрессности определения температуры горения реакционных многослойных нанопленок. 1 табл., 1 ил.

Способ определения температуры горения реакционных многослойных нанопленок, основанный на применении электрических методов, отличающийся тем, что температуру горения определяют по изменению электрического сопротивления полоски реакционной многослойной нанопленки до и после процесса самораспротраняющегося высокотемпературного синтеза и температуру горения tcвc рассчитывают по формуле tcвc=to+(Rt-Rx)/Rx⋅α, где to - температура до начала СВС, Rx - сопротивление полоски реакционной многослойной нанопленки до начала СВС, Rt - сопротивление полоски реакционной многослойной нанопленки после окончания СВС, α - температурный коэффициент сопротивления реакционной многослойной нанофольги.