Горение конденсированных систем под действием внешних источников энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

и им

- -.1

Министерство высшего и среднего специального образованна РФ Московски* физико-технический нистктуг

На правах рукописи УДК 637.6

ДВОРКОВИЧ Александр Викторович

ГОРЕНИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ШСЕЯНЯХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИЯ

(01.04.17 - химическая физика, ■ топ числе физика горения и взрыва)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата флзяко-матичагяческкх наук

Москва - 19ЭЗ

Работе выполнена с Институте химической физики РАИ ни. Н .Н .Семенова .

Научные руководители - доктор физ.-нат, наук,

профессор Марголин А.Д.. доктор физ.-нат. наук Шмелев В.М.

Официальные оппоненты - доктор физ .-кат . наук

Заслонко И.С., доктср физ.-нат. наук Рунанов'Э.Н. Ведущая организация - Институт синтетических

полимерных материалов РАН.

Защита состоится "_"_ 1993 г.

в __ на заседании специализированного совета

К.063.91.Ов при Московской физико-техническом институте (141700, г. Долгопрудный Моск. обл., пер. Институтский, 9 , М«ТИ).

С диссертацией когао ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан "_"_ 19ЭЭ г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат физ.-нат. наук

В .В .Ковтун

- Э -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процесс горения в условиях, когда самостоятельное горение невозможно, и процесс поддерживается за счет внешнего источника энергии, изучен нало, 0 то ж£ вреня, такого рода процессы очень важны на практике. В частности, процесс поверхностного электрогорения полимерных эоляторов является довольно частой причиной выг.ода из строя и возгорания электроаппаратуры. Также необходимо знание динамики развития процесса после пробоя диэлектрического полинерного слоя между электродани. Изучение процесса пиролиза твердого топлива при низких давлениях важно как с теоретической точки зрения как процесса несамостоятельного горения, так и в целях обеспечения пожаровэрывобеэопасности при работе с ТТ.

Цель работы: Изучение критических условий возникновения горения и динаники процесса в условиях, когда вследствие каких-либо причин (большие теплопотери, низкое давление и т.д.) самостоятельное горение невозможно, и процесс происходит под действиен внешнего источника энергии, на примере двух процессов: гетерогенное горение полимеров, стимулированное слаботочным разрядон, и пиролиз сиесевого твердого топлИЕа при низких давлениях под действием отического излучения.

Научная новизна: Исследованы режимы поверхностного гетерогенного горения полимерных образцов, стимулированного слаботочным разрядон; экспериментально определена динамика роста и Фрактальная размерность дендритов, образующихся при поверхностном электрогоренни полимеров; установлена связь между динамикой роста и геометрическими характеристиками образующихся карбонизированных фрактальных структур. Исследован процесс электрогорения полимерных пленок в зазоре между электродами; экспериментально определена динамика этого процесса и размерность образующихся структур с фрактальной границей, Исследован процесс горения и пиролиза смесеоого твердого топлива при низких давлениях под действием оптического излучения лазера; найдены различные режимы горения, определены границы Областей линейного пиролиза, пульсирующего пиролиза, пульсирующего горения и непрерывного горения; экспериментально определена зависимость скорости линейного пиролиза СТТ от давления и интенсивности

- Ч -

теплового потока; рассмотрена задача о влиянии конечных размеров теплового потока па время инициирования процесса пиролиза ТТ; найдена зависимое™ времени зажигания ТС от диаметра пучка теплового излучения, от теплофизических и кинетических характеристик ТТ.

Практическая ценность; Исследования поверхностного

электрогорения • полимерных изоляторов позволяют выработать рекомендации по снижению вероятности возникновения электрогорения и замедлению процесса разрушения полимера, что повысит надежность работы и срок службы электроаппаратуры; изучение процесса электрогорения полимерных слоев V зазорах между электродами после электрического пробоя • важно для обеспечения покаробезопасности работы электроаппаратуры; результаты исследований возникновения и развития процесса горения твердого топлива при воздействии светового потока .необходимы для обеспечения

пожзровзрывобезочасиостм при работе с СТГ.

На защиту вмяосятся:

1. Методика экспериментального исследования «ак.роско-пичестк'их характеристик гетерогенного электрогорения полимерных слоев и тонких пленок, включающая экспериментальную установку, систему регистрации и методику обработки даных экспериментов.

2. Результаты экспериментальных исследований режимов гетерогенного электрогорения полинернях -слоев « тонких пленок, в частности:

- степенная динамика роста деппритов при поверхностном электрогоречии и структур, образующихся при ^лектрогорении в зазоре между электродами;

- фрактзльность образующихся в этих случаях структур;

закономерности взаимосвязи между динамикой роста и фрактальной размерность» дендригтеых карбониэироваяяых структур, образующихся иа поверхности полимера при электрогорении.

3. Результата экспериментальных -исследований -пиролиза - и горения смесевого твердого топлива при воздействии светового потока при низких да-влениях, я частности:

- критические условия возникновения различных режимов горения;

- зависимость скорости линейного пиролиза от давления и интенсивности теплового потока.

Результаты теоретического исследования влияния конечных

размеров теплового потока на время зажигания твердого топлива.

АппроВация раСоты. Результаты работы докладывались на I Международной конференции по полимерным материалам пониженной горючести ■ (Алма-Ата, 1990 г.), XXXVI Научной конференции 1ЮТИ (Долгопрудный, 1991 г.), X Всесоюзном симпозиуме по горении и взрыву (Черноголовка, 1992 г.), Международной конференции по горению 1С0С93 (Москва - Санкт-Петербург, 1993 г.), а также на научных семинарах ИХФ РАН.

Публикации: По результатам работы имеется четыре публикации.

Личный вклад: Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.

Овьетч работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - ... страниц, .. рисунков. Список литературы вкяючает ... наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной темы, указывается цель работы, ее практическая ценность, а также дан краткий обзор содержатся диссертации.

В первой главе проводится обзор литературных данных по Темам, непосредственно связанным о содержанием дчссертяционной работы:

- исследования трекового пробоя и электрогорения диэлектриков,

- фрактальные структуры в горении,

- горение при дополнительных источниках тепла, зажигание и пиролиз твердых топлив при низких давлениям.

Втораи глава посвящена исследоэанию поверхностчого гетерогенного горения полимеров, стимулированного слабато«нын разрядом.

Эксперименты проводились с использованием следующей методики: на лист полимерного материала. находящийся на' изолиру»1цей подставке, устанавливались на расстоянии нескольких сантиметров два электрода (параллельные, коаксиальные н др.), подключенных через регулируемое балластное сопротивление (до 1,£ ИОм) к стабилизированному высоковольтному источнику питания с напряженней до 10 кЬ. Поверхность полимер.-» увлажнились раствором

электролита.

После подачи напряжения на электроды по поверхности полимера

протекал слабый постоянный ток. Затен сопротивление

токопроводяшего слоя начинало увеличиваться. В^ некоторый номент в

несте наибольшего тепловыделения (чаще около одного из

.электродов) образовывался разрыв токопроводяшего канала

вследствие высыхания проводящего слоя. Локальный пробой этого л

разрыва в условиях окислительной атмосферы приводил к образовании) на поверхности полинера углеродного, проводящего слоя. На поверхности полинера начинали расти углеродные карбонизированные следы. Характерное вреня развития процесса - несколько минут. Впервые это явление было обнаружено и качественно исследовано Евтюхинын Н.В., Савельевын A.B., Марголиныи А.Д. и Шмелевым В.М. [1,23- В данной , работе проведен количественный анализ поверхностного электрогорения.

В зависимости от геометрии увлажнения поверхности, физико-химических свойств полинера и т.д. возникали различные режины распространения электрогорения по полимерной подложке, Можно выделить три основных режина:

1. Линейный режим, при котором на поверхности полинера образуется один карбонизированный канал. Этот режин реализуется, когда увлажненный участок на поверхности имеет вид ностика, соединяющего электроды, или на образце имеется ребро.

2. Дендритный режин, при которой на поверхности полимера "растет" древовидная карбонизированная структура, нагюминающан фигуры Лихтенберга, образующиеся в импульсных высоковольтных разрядах .

3. Фронтальный рейин реализуется после того как карбонизированный канал соединит электроды. Полинер карёонизуется по всей поверхности за нитевидным фронтом, соединяющим электроды. Фронт имеет ярко выраженную нитевидную волновую структуру (фронт горения имеет форму функции |в1п(х)| с остриями, направленными в сторону движения фронта) и распространяется перпендикулярно приложенному полю.

Далее более подробно рассмотрен дендритный режин электрогорения. Эксперименты показали, что в зависимости от /<:ловий теплоотвода и диффузии кислорода в зону горения меняется структура образующиеся дендритов. Чен сильнее теплоотвод и слабее

диффузия, теп тоньше и раэеетвлгннее растущие на поверхности полипера дендриты.

Было показано, что древовидные структуры на поверхности полимера статистически самоподобны. С помощью специальной методики были измерены фрактальные размерности дендритов. В зависимости от условий теплоотвода и диффузии фрактальная размерность менялась от 1,6 До 1,9 (чем сильнее теплоогвод и слабее диффузия, тем выше фрактальная размерность) .С помощью разработанной методики была исследована динамика роста древовидных карбонизированные структур на поверхности полимера. Било показано, что средняя высота дендритов <1> зависит от времени Ъ степенный образом: <1> - где п меняется от 0,6

до 0,8 в зависимости от условий теплоотвода и диффузии (чем сильнее теплоотвод и слабее диффузия, тем меньше показатель степени).

Показано, что в данном процессе связь показателя степени в законе роста дендритов п и фрактальной размерности дендритов 0 хорошо описывается теоретической зависимостью 0 = 1/п.

Знание фрактальной размерности образующихся при электрогорении структур позволяет предсказывать динамику н проводить катенатическое моделирование процесса.

Проведено исследование фронтального режима электрогорения. Экспериментально изучена зависимость скорости фронта от силы тока, протекающего перпендикулярно фронту, и концентрации кислорода. 3 отсутствие кислорода (в инертной среде) фронт не движется, Исследована зависимость кривизны фронта от толщины полимера. С помощью термопарной методики был получен профиль температуры инертного прогрева полимерного слои и температура во фронте горения, что позволило оценить коэффициент теплоотдачи во внешнюю среду, потоки энергии за счет теплоотдачи во внешнюю среду и теплопроводности, джюу лево тепловыделение во фронте реакции. Предложен механизм развития неустойчивости фронта. Предложена нодель, описывающая распространение фронта электрогорения.

После введения безразмерных•температуры О и координаты ( в стационарной постановке задача о распространении фронта записывается в виде: 4 -

- в -

Л ае ¿'к а*

---+ ---Ц(в) + ------(в - 0О) = 0,

всж сри2Т. сери1!. сриа

где (Усо^в) - скорость тепловыделения хинической реакции; с, р, к - теплоемкость, плотность и температуропроводность полимера;'и -скорость распространения фронта горения; Т» - температура горения; Л, о> - плотность тока и проводимость ; а - коэффициент теплоотдачи.

Искомая скорость движения фрон га горения является корнем кубического уравнения :

Vе + - " 20./0,-У - ОЛАО^&т) = 0,

где V - беэраэнерная скорость фронта; - тепловыделение

хинической реакции; - джоулево тепловыделение; О,. - поток

тепла, обусловленный теплопроводностью.

Это уравнение имеет единственное положительное решение.

В третьей главе описывается исследование элктрогорения тонких полимерных пленок в зазоре между электродами после пробоя.

Пленка полинера (толщиной 0,05 - 0,3 мм) зажималась между двуня массивными электродами, подключенными к высоковольтному стабилизированному источнику питания, так, чтобы она полностью изолировала один электрод от другого. В зависимости от конфигурации электродов наблюдались линейный и двумерный режимы выгорания.

В пленке проделывалось небольшое инициирующее отверстие, и при подаче на электроды напряжения выше критического (1 - 2 кВ) нежду электродами в месте расположения отверстия зажигался тонкий канал контрагированного разряда. Разряд, хаотически перемещаясь, выжигал в полимерной пленке в условиях кислородной атносферы структуры различной конфигурации.

Линейный режим осуществлялся в случае, когда один из электродов был линейным, а второй - плоским. Край выгорающей линии имеет сильно изрезанную структуру. Ширина и неровность выжженной линии и линейная скорость ее роста увеличивались с возрастание» силы ток,а , пропускаемого через электроды.

Режим двумерного (плоского) выгорания осуществлялся, если пленке полимера была зажата между двуня плоскими ровными электродами. Увеличение силы тска разряда увеличивает скорость выгорания полимера. "Бегающий" канал разряда все время находится

на границе расширяющегося в полинерной пленке отверстия, образующегося в результате вы-орания полинера. Так как расстояние нежду электродани нало (0,3 мн и иеныие ), а сами электроды создают хороший теп.лоотвод, то имеет место тлеющий режин горения разряда.

Эксперименты выявили степенной характер динамики роста структур как при линейном, так и при плоской режиме Еыгорания. Это обстоятельство позволило сделать предположение о фрактальности граници образующейся структуры. Исследования геометрии границы образованной в режиме плоского выгорания структуры подтвердили ее статистическую самолодобность. Фрактальная размерность границы составила 1,15 ~ 1,20 в зависимости от толщины полимера (меньшой толщине соответствует большая фрактальная размерность).

В четвертой главе рассмотрен пиролиз и горенче снесезого твердого топлива под действием оптического излучения лазера при низких давлениях.

Экспериментальное исследование процесса пиролиза СТТ проводилось □ вакуукируемой камере с рабочий объемом 1.0 литров . Систена откачки позволг па работать с постоянным давлением в канере 1 торр и выше. Канера была снабжена окнон из фтористого бария, пропускающего до 35% инфракрасного излучения. Для создания потока энергии, пироли-зующего образец СТТ, использовалось излучение инфракрасного непрерывного электроразрядного СО лазера с выходной мощностью в пучке ди 10 ватт и спектральной полосой излучения 5,5 - 6,3 мкм. Интегральная мощность потока лазерного излучения определялась с помощью измерителя мощности' ИМО-2. Использовался одномодовый режим работы лазера с гауссовскин распределении интенсивности по лианетру пучка. Образец СТТ диаметром 3 - 6 мм устанавливался горизонтально в гпециальноч держателе. Излучение лазера падало на торец образца, причем диаметр луча лазера был порядка диаметра образца. В течение эксперимента в камере поддерживалось постоянное давление. В экспериментах изучала-ь образцы СТТ дву:: составов: N1 - 41,5* ПХА, 25% октогена, 21% AI, 8,5% связки; N2 - 70% ПХЛ, 20% AI, 10* связки .

Режим процесса превращения СП при субатмосфернои давлении под воздействием на поверхность образца светоьпго потока

определяется двумя основными параметрами: давлением и интенсивностью гветового потока. В ,соответствии с этим на диаграмме давление г- интенсивность светового потока можно выделить пять характерных областей:

- область низких интенсивнсстей светового потока, где зажигании состава но происходит;

- область стационарного режима линейного пиролиза ; эта область характеризуется наличием интенсивной реакции в конденсированной фазе и беспламенным (икается в оиду пламя в газовой фазе) распространением фронта пиролиза;

- об пасть пульсирующего режима линейного пиролиза; в этой области процесс пиролиза сопровождается периодическими вспышками прогретого слоя конденсированной фазы с выбросом частиц вещества, во оспьшках наблюдаются характерные яркие треки горения выброшенных частиц алюминия; при выключении внешнего источника излучения процесс химического превращения прекращается;

- область пульсирующего самостоятельного горения, которое не прекращается после выключения внешнего теплового источника; по мере увеличения давления растет частота пульсаций и процесс переходит в область устойчивого стационарного горения;

область непрерывного самостоятельного горения; в данной области характерно наличие яркого факела планени.

Средняя линейная скорость пиролиза состава N1 растет с увеличением интенсивности светового потока и давления. В области линейного пиролиза скорость пиролиза слабо зависит как от давления, так и от интенсивности теплового потока и составляет 0,2 - 0,3 мн/сек. В области пульсирующего пиролиза зависимость скорости пиролиза от интенсивности и давления становится более выраженной, и при давлении 0,2 атм скорость пиролцзз изменяется от 0,3 до 0,7 ии/сек при увеличении интенсивости потока от 3,5 до 12 вт/си. Зависимость скорости линейного пиролиза от давления для состава N1 удовлетворительно описывается эмпирической формулой уСнн/сек] = 0.10-(1 + X[Вт/см3-Р[атн]). Для состава Н2 средняя скорость линейного пиролиза примерно в два раза меньше, 'чем для состава N1.

Исследования образующегося остатка после сгорания состава N1 показали, что во всех режимах касса конденсированного остатка составляет 40-45% от массы исходного вещества. Химический состав

- LI -

порошка существенно различается о зависимости от области и режима, в которой происходит превращение образца. В области линейного пиролиза остаток содержит 80% алюминия, в то вреня как в области,самостоятельного горения остаток почти целиг.он состоит из окиси алюминия. При линейном пиролизе состава N2 было обнаружено, что конденсированные продукты пиролиза составляют 70 - в0 X от исходной нассы образца. Остаток представляет собой полидисперсную спесь с максимальным размером частиц дс> 2 им для состава N1 и до 0,3 мм для состава N2.

Распределение температурь' в пиро'лизуеном образце СТТ измерялось термопарным методом. Зона инертного прогрева при давлении 0,02 атн и тепловом потоке 4 Вт/см оказалась равной примерно 4 мм, зона реакции в конденсирочанной фазе - 2,5 мм.

Для определения среднего молекулярного веса проводились измерения массы исходного образца, массы конденсированного остатка, образовавшегося в результате . пиролиза образца, и прироста давления о рабочей камере. Средний молекулярный вес газофазных продуктов пиролиза рассчитывался по этим данным, с испольэованиен уравнения состояния идеального газа. Полученное значение средненолекулярного веса равно 33 г/моль.

Рассмотрена задача о зажигании ТТ постоянным тепловым потоком конечных размеров- плоская поверхность нагревается потоком тепла q в виде полосы ширины L. В безразнерном виде задача ставится следующим образом:

ое а*о а1 о — = — + — + ш-ехр(в),

Оу

с начальными и граничными условиями:

-oo<x< + e>, у>0, t > 0>

в(.0,Х,у) = 0(t,JC,+«o) = e<t,+a>,y) = 0о; ав ее

—(t,x,0) = 0, Iхj > L; —(ъ,х,0) = -1, ¡х| < I,. ay ay ■ 1

В систему входят параметры: L - ширина теплового потока, ва -

начальная температура, м — отношение тепловыделении ч химической

реакции и нагрева внешним потоком, р - малый параметр, который в

расчетах полагался равным нулю.

Найдены аналитические решения двунерной инертной задачи при

ь> = 0. В частности, температура поверхности на оси потока рагтет

как

еи,о,о> = 2- т

ш

/ехр(-хг) -

- г

1

Получены формулы для времени зажигания в предельных случаях тонкого пучка (лри малых 1) и толстого пучка (при больших 1) соответственно (1 ~ Ь/(2)>:

«•4

- 1.423> " "Р" 1 < 0,75;

. 1

Ъ ----, при 1 > 1,5.

4 ех»>(-1,)

1 " х-

Заключение содержит крачку» сводку основных результатов и выводов работы.

ОСМОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика исследования макроскопических характеристик гетерогенного электрогорения полимерных слоев и тонких пленок, включающая экспериментальную установку, систему регистрации и методику обработки даных экспериментов.

2. Исследованы режимы поверхностного гетерогенного горения полимеров, стимулированного слаботочным разрядом: линейный, дендритный, фронтальный. Изучена динамика роста дендритных карбонизированных структур на поверхности полимера при электрогорении, установлена стеленная зависимость высоты дендритов от времени и определены показатели степени в законе роста при различных условиях.

3. Доказана самоподобность (фрактальность) дендритных карбонизированные структур, образующихся на поверхности полимера при электрсгоренииизмерена фрактальная размерность этих дендритов при различных условиях. Установлена связь между динаникоК роста и геометрическими характеристиками образующихся £рактальных структур: О\= 1/П. где Р - фрактальная размерность

дендрита, n - показатель степени в законе роста дендрита.

4. Обнаружен« и исследованы режимы выгорания тонких полимерных пленок в зазоре между двуия электродани после пробоя. Исследована динамика развития этого% процесса, установлен степенной характер зависимости размеров растущих структур от времени. Определена фрактальная размерность границы образующихся структур. '

5. Экспериментально исследованы режимы пиролиза и горения снесевого твердого топлива при низких давлениях, найдены области различных режимов горения, исследована зависимость скорости линейного пиролиза от давления и интенсивности светового потока. Теоретически исследовано влияние конечямх размеров теплового потока на время зажигания TT, найдена зависимость времени зажигания TT от диаметр» пучка теплового излучения, от теплофнзических и кинетических характеристик ТТ.

Список работ, ояуСликов ни« по тепе щюсергавш

1. Евтюхин Н.8., Шмелев в.П., Марголин А.Д., Дворкович A.B. Регулярные м стохастические режимы электрогорения тонких полимерных слоев и пленок.// I Международная конференция по полимерным материалам пониженной горючести. Тезисы докладов. Алма-Ата, 1890, с.68-90.

2. Евтюхин Н.В., Дворкович A.B., Марголин А. Д., Шмелев В.М. фрактальная динамика .электрогорения полимеров;// Физические взаимодействия в химически реагирующих средах. Междуведомственный сборник. Москва, 1991, с.18-24.

3. Марголин А.Д., Лебедев В.Н., Дворкович A.B., Крупкпн В.Г. Исследование процесса линейного пиролиза СРТТ внешним тепловым потоком.// Научно-технический отчет от 1 сентября 1992 г. Москва, МАИ, 1992.

4. Евтюхин Н.В., Дворкович A.B., Марголин А.Д., Шмелев В.М. Фрактальные • волны гетерогенного горения полимеров, стимулированного слаботочными разрядами.// Химическая физика, 1993, N 8.

Цитируемая литература

1. Евтюхии Н.В., Савельев A.B., Марголин А.Д., Шмелев В.М. Ползущий пробой на поверхности полимера.// Доклады Акадении наук СССР, 1989, т.307, N6, с. 1370-1372.

2. Евтюхин Н.В., Савельев A.B., Марголин А.Д., Шмелев В.М. Распространение фронта термоокислительной деструкции полимера, стинулированное слаботочным поверхностным разрядом.// Химическая Физика, 1989, т.8, Н12, с. 1684-1690.