MEANS OF THE ANALYSIS OF THE SHS PROCESS ON THE BASIS OF THE CHRONOGRAPHIC AND TOPOGRAPHIC PRESENTATIONS OF THERMAL IMAGING DATA

Abstract


The paper presents the means for measuring the spatial and temporal coherence of temperature in the microregions of a wave of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) and revealing the relationship between the events of ignition of individual foci. The method for determining the parameters of the thermal wave structure of the synthesis is based on the chronographical and topographical representation of micro- thermal data in the form of maps that visualize the ergodicity of the SHS process and facilitate the recogni- tion of individual foci of burning on thermal imaging images. The ergodicity of the phenomenon is used in the method to determine the time of induction of the combustion sites, the time of their growth, the growth rate of the foci tangentially to the front of the SHS wave, the size of the foci in the direction of the normal to the front. The technique is implemented in the form of software integrated into the original micro thermal imaging complex. Approbation of the method is represented by the results of experimental studies of the Ni + Al + NiAl system with a variation in the fraction and dispersity of the inert additive. The error in measuring the normal velocity of the SHS front of the wave with the proposed technique was 0.05 %.

Введение Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) материалов из порошковых сме- сей в режиме волнового горения представляет экзотермический процесс, в котором закономерности структуро- и фазообразования продукта тесно увязаны с тепломассопереносом в дискретной среде и химической кинетикой реакций [1-3]. В волне синтеза продукты разогреваются до температур 1200- 4500 К, что позволяет исследовать данное явление средствами оптических измерений [4, 5]. Скорост- ная тепловизионная съемка процесса СВС через оптический микроскоп (микротепловизионная съем- ка) показывает, что волна горения состоит из отдельных очагов, которые вспыхивают через квазире- гулярный интервал времени и имеют характерные размеры, зависящие от параметров шихты и усло- вий теплоотвода в окружающую среду [6-8]. Большинство современных средств наблюдения фено- мена СВС позволяют контролировать только два параметра тепловой волны реакции - скорость ее А. В. Долматов, Г. М. Бересток image распространения и температуру [9-13]. Это удовлетворяет потребностям фундаментальных матема- тических моделей явления [14], но недостаточно для его детального анализа и выявления закономер- ностей в тепловой структуре волны горения. Настоящая работа была нацелена на создание средств измерения параметров пространственной и временной когерентности температуры в микрообластях процесса и выявление взаимосвязи между событиями их возгорания. Оборудование и методика эксперимента Экспериментальные исследования процесса распространения волны СВС осуществлялись на ори- гинальном микротепловизионном комплексе (рис. 1), который включал систему автоматического пози- ционирования образца и систему скоростной микротепловизионной съемки. Измерительный канал комплекса построен на базе микроскопа МБС-10 и цифровой камеры ВидеоСпринт [15]. Простран- ственное разрешение микротепловизионного комплекса можно фиксировать на уровнях 5.9, 11.8, 17.7 мкм, а временное регулировать в диапазоне от 10 мкс до 500 мс с шагом 2 мкс. Перед фотоматрицей камеры размерностью 1280х1024 элемента размещен полосовой светофильтр SL-725-40 (центральная длина волны 725 нм, полоса пропускания 40 нм), который позволяет использовать метод яркостной пи- рометрии для измерения температурного поля на поверхности исследуемого образца. image а) б) Рисунок 1 - Микротепловизионный измерительный комплекс (a) и экспериментальный образец с пятном прицельного осветителя (б) (1 - система трехмерного позиционирования; 2 - микроскоп МБС-10; 3 - цифровая камера ВидеоСпринт; 4 - прицельный осветитель; 5 - пятно прицельного осветителя на экспериментальном образце) Сигнал элемента оптического датчика, работающего по принципу накопления заряда, можно за- писать в виде: image image  C B(b ,T )  kb b  Ab   b ,T  b  1 image   b  exp  C2 5   , (1) h  c b  b  T  мкВ мкА где kb - чувствительность электрометрического усилителя цифровой камеры (в image image или ), e e b e - обозначение 1 электрона;   - квантовая эффективность фотодатчика на длине волны b полосового светофильтра; Ab - геометрический фактор (доля излучения, переданная оптической системой от объекта наблюдения на фотоприемник); h  c  (b ,T ) - спектральная степень черноты на длине волны b ; image - энергия одного кванта излучения на длине волны b b , C1  37418 Вт  мкм4 , см2 С2  14388 image Средства анализа процесса СВС на основе хронографического и топографического представления тепловизионных данных мкм  К ;  b - время экспозиции цифровой камеры; T - термодинамическая температура; h - постоянная Планка; c - скорость света в вакууме. В процессе регистрации данных параметры оптоэлектронного тракта микротепловизионного комплекса фиксируются ( kb  const ; b  const ; Ab  const ;  b  const ; b   const ). Поэтому сигнал фотоэлемента зависит только от температуры визируемого объекта:  B(T )  C   T  exp  C2  image  , (2)  T  где C  kb b  Ab image  C1  b b h  c  4  const , C2 image  C2 b  const . В соответствии с определением яркостной температуры имеем формулу:  C2  image B(Tb )  C  exp  T  , (3)  b  где Tb - яркостная температура тела. Неизвестное значение константы С можно определить в процессе калибровки по температурному образцу. Для цифровых измерительных систем, имеющих дис- кретное конечное множество уровней сигнала, в ходе сравнения с эталоном получаются табличные данные в виде:  Tb   B1   1   1       Tb2   B2   2               , (4)       TbN   BN   N  где N - количество уровней регистрируемого сигнала. Температурная калибровка микротепловизионного комплекса выполнена с помощью автомати- зированного стенда на базе программируемого источника тока PSH-2035 и эталонной лампы ТРУ- 1100-2350 с паспортизированной зависимостью яркостной температуры вольфрамовой ленты от силы электрического тока. Методика калибровки на стенде описана в работе [16]. В ходе калибровки вы- полнена коррекция геометрической неоднородности сигнала датчика, и при фиксированных парамет- рах оптоэлектронного преобразования для полного набора времен экспозиции и пространственных увеличений оптической подсистемы построена таблица соответствия уровней сигнала датчика значе- ниям яркостной температуры. Кроме того, в стационарном режиме по совокупности кадров микро- съемки эталонной области вольфрамовой ленты лампы оценена погрешность измерения температу- ры. В результате калибровки полный диапазон измеряемых комплексом температур составил от 1200 до 4500 К при погрешности от 1.6 до 0.1 % соответственно. Оригинальная методика анализа данных микротепловизионной съемки основана на том, что у различных элементарных объемов шихты равны начальные условия воспламенения смеси, а физико- химические процессы в них развиваются одинаково. Тогда длительность нагрева вещества от услов- ной температуры самовоспламенения до произвольного уровня (на участке роста температуры) оди- накова для различных элементов поверхности образца. Таким образом, уровень температуры, изме- ряемый на участке разогрева, соответствует некой стадии развития воспламенения (рис. 2, а). А. В. Долматов, Г. М. Бересток image image Рисунок 2 - Термограмма процесса СВС (а) и функция активации реакции (б) в точке (x, y) на визируемой поверхности образца Примем за локальное событие момент времени, когда процесс воспламенения достигает некото- рой стадии развития и температура элементарной площадки шихты становится равной заданному уровню (рис. 2, б). Совокупность подобных событий, найденная по данным микротепловизионной съемки (рис. 3) и представленная на пространственно-временной плоскости (рис. 4), визуализирует величину сдвига фронта реакции горения в различные моменты времени. image Рисунок 3 - Кадры микротепловизионной и событийной съемки процесса СВС Такое хронографическое представление тепловизионной информации позволяет разделить во времени и пространстве области когерентного горения, определить скорость развития очагов вдоль фронта волны реакции: Vt  Lt image , (5) t  cos где Lt - перемещение волны синтеза вдоль оси x за межкадровый период t (рис. 4). По сечению хронографической карты можно измерить среднее время до воспламенения следующего очага tind , время роста площади очага горения texp , а также определить характерный размер очага в направле- нии нормали n к фронту волны синтеза Ln (рис. 5). Средства анализа процесса СВС на основе хронографического и топографического представления тепловизионных данных image Рисунок 4 - Хронографическая карта очагов горения image Рисунок 5 - Определение параметров распространения волны СВС по сечению хронографической карты Определение границ очагов горения по хронографической карте и наложение их на изображения микротепловизионной съемки позволяет спроецировать на пространственную плоскость максималь- ные размеры очагов, возникающих в разные моменты времени, и получить топографическую карту процесса СВС (рис. 6). По ней возможно определение характерного размера цессе СВС наблюдалась температурная депрессия. Lb областей, где в про- Методика измерения указанных выше параметров учитывает возможность движения фронта волны  СВС в произвольном направлении. Обозначим единичным вектором l направление сечения, в котором  производится измерение положения фронта. Выберем направление вектора l так, чтобы оно совпадало с направлением столбцов фотоматрицы - ось Y . Тогда пространственные характеристики тепловой структу-  ры волны СВС в направлении нормали к фронту в cos раз меньше, чем в направлении l . А. В. Долматов, Г. М. Бересток image image Рисунок 6 - Топографическая карта процесса СВС Хронографическая визуализация положения фронта реакции демонстрирует, что экспериментальные данные о положении фронта волны СВС y  f x, t очень хорошо моделируются плоскостью. По отношению к явлению СВС это означает, что равны оценки математического ожидания скорости фронта по разным моментам времени и по различным точкам пространства. Из данного факта следует, что процесс СВ-синтеза не только стационарный, но и эргодичный [17]. Причем угол между направлением оси X и прямой, которая является пересечением модельной плоскости с плос-  костью X  t , равен углу  между векторами l и n (рис. 7). Это позволяет скорректировать выполненные замеры (рис. 5, 6). Ln  Ln  cos , Lb  Lb  cos , (6)  где Y - перемещение фронта за один межкадровый период в направлении l (совпадает с направлением столбцов фотоматрицы - оси Y ), Ln   Yi i - расстояние, на которое переместился фронт за время формирования нового очага горения, i - индексы межкадровых периодов формиро-  вания очага, Lb - расстояние между очагами горения в направлении l , Ln , Lb - соответствующие характеристики в направлении n . На основе хронографической визуализации разработан подход с измерением нормальной скоро- сти распространения волны СВС, обладающий погрешностью на уровне 0.05 %. Апробация измерительного комплекса Методика хроно-топографического анализа (ХТА) микротепловизионных данных реализована в оригинальном программном обеспечении с использованием современных технологий обработки изображений и параллельных вычислений. Для ее апробации проведены экспериментальные иссле- дования, в которых методом СВС в режиме волнового горения синтезировался NiAl. В качестве ис- ходных компонентов выступали порошки никеля ПНК-УТ3 дисперсностью 15 мкм и алюминия ПА-4 дисперсностью 50 мкм. Средства анализа процесса СВС на основе хронографического и топографического представления тепловизионных данных image Рисунок 7 - Визуализация эргодичности процесса СВС Варьируемым компонентом шихты выступала инертная добавка порошка NiAl, три фракции ко- торой были получены на предварительной стадии эксперимента (рис. 8). image Рисунок 8 - Гранулометрический состав фракций инертной добавки Массовая доля инертной добавки каждой фракции изменялась в пределах от 0 до 30 % с шагом 2,5 %. Кажущаяся плотность шихты составляла 2,6 г/см3, а начальная температура поддерживалась на уровне 25 оС. Регистрация процесса СВС осуществлялась с пространственным разрешением 5.9 мкм, а частота кадров составляла 500 Гц. В результате применения методики ХТА к данным микротепло- визионной съемки построены зависимости, показанные на рис. 9-12. А. В. Долматов, Г. М. Бересток image image Рисунок 9 - Семейство зависимостей нормальной скорости распространения волны СВС от массовой доли инертной добавки image Рисунок 10 - Семейство зависимостей времени индукции воспламенения от массовой доли инертной добавки image Рисунок 11 - Семейство зависимостей времени роста очага горения от массовой доли инертной добавки Средства анализа процесса СВС на основе хронографического и топографического представления тепловизионных данных image Рисунок 12 - Семейство зависимостей нормального размера очага горения от массовой доли инертной добавки Наилучшим образом методика ХТА проявила себя при разделении процесса СВС на ареалы су- ществования отдельных очагов горения. Решение такой задачи только по пространственной или вре- менной проекции процесса СВС является весьма сложным, с неочевидным результатом. Однако дей- ствие в пространственно-временном континууме позволяет методу ХТА дифференцировать волну горения на отдельные области и исследовать динамику пространственного распределения температу- ры этих очагов в их системе отсчета. Применение относительной системы координат дает возмож- ность систематизировать анализ кинетики и динамики процесса СВС на тепловом микромасштабе. Выводы Дискретность процесса СВС ограничивает точность измерения скорости распространения волны реакции. Преодолеть данный барьер можно за счет использования статистических показателей и су- щественного увеличения объема анализируемой информации. Предложенный хроно- топографический подход позволяет визуализировать эргодичность процесса СВС. Проведение мик- ротепловизионных исследований современными средствами измерения в рамках эргодичной модели до 100 раз сокращает доверительный интервал статистических оценок и делает их чувствительными к малым вариациям параметров шихты. В технологическом аспекте это открывает возможность кон- троля качества исходной смеси и прогнозирования фактических свойств продукта на стадии его син- теза. Так, предложенная методика определения нормальной скорости фронта волны СВС позволяет контролировать процесс с пространственным и временным разрешением до 1 мкм и до 10 мкс соот- ветственно, а погрешность измерения достигает 0,05 %. При этом хронографическая и топографиче- ская карты процесса СВС способствуют распознаванию отдельных элементов тепловой структуры волны СВС, их классификации и определению характеристик.

Aleksey Viktorovich Dolmatov

Grigoriy Mikhaylovich Berestok

  • Концепция развития СВС как области научно-технического прогресса [Текст] / под ред. А. Г. Мержанова. - Черноголовка : Территория, 2003. - 368 с.
  • Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика [Текст] / под ред. А. Е. Сычева. - Черноголовка : Территория. 2001. - 432 с.
  • Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: Материалы и технологии [Текст] / под ред. В. В. Евстигнеева. - Новосибирск : Наука, 2001. - 284 с.
  • New procedure of high-rate brightness pyrometry for studying the SVS processes [Text] / D. A.Garkol, P. Y. Gulyaev , V. V. Evstigneev [et al.] // Физика горения и взрыва. - 1994. - Т. 30, № 1. - С. 72-77.
  • Андреев, В. А. Исследование горения смесей гафния и бора методом оптической пирометрии [Текст] / В. А. Андреев, В. М. Мальцев, В. А. Селезнев // Физика горения и взрыва. - 1980. - № 4. - С. 18-23.
  • А. В. Долматов, Г. М. Бересток Микроструктурные аспекты безгазового горения механически активированных смесей. I. Высокоскоростная микровидеосъемка состава Ni + Al [Текст] / А. С. Рогачев, Н. А. Кочетов, В. В. Курбаткина [и др.] // Физика горения и взрыва. - 2006. - Т. 42, № 4. - С. 61-70.
  • Долматов, А. В. Оптические измерения и анализ тепловой микроструктуры волны СВС в системе Ni-Al [Текст] / А. В. Долматов, М. В. Пинчук, А. В. Сергейчев // Вестник Югорского государственного университета. - 2015. - № 2 (37). - С. 14-26.
  • Оценка времени фазообразования в системе горения NiAl методом визуализации тепловых полей [Текст] / М. П. Бороненко, А. Е. Серегин, П. Ю. Гуляев [и др.] // Научная визуализация. - 2015. - Т. 7, № 5. - С. 102-108.
  • Кочетов, Н. А. Зависимость скорости горения от размера образца в системе Ni + Al [Текст] / Н. А. Кочетов, Б. С. Сеплярский // Физика горения и взрыва. - 2014. - Т. 50, № 4. - С. 29-35.
  • Андреев, В. А. Исследование горения смеси гафния и бора методом оптической пирометрии [Текст] / В. А. Андреев, В. М. Мальцев, В. А. Селезнев // Физика горения и взрыва. - 1980. - Т. 6, № 4. - С 18-23.
  • Increasing accuracy of high temperature and speed processes micropyrometry [Text] / P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 21st International Conference for Students and Young Scientists. - 2015. - С. 012021.
  • Зенин, А. А. Исследование структуры тепловой волны в СВС процессах (на примере синтеза боридов) [Текст] / А. А. Зенин, А. Г. Мержанов, Г. А. Нерсисян // Физика горения и взрыва. - 1981. - Т. 16, № 1. - С. 79-90.
  • Бороненко, М. П. Диагностика тепловых полей фронта горения СВС в системе NiAl [Текст] / М. П. Бороненко, И. В. Милюкова, А. Е. Серегин // Science and Education in Australia, America and Eurasia: Fundamental and Applied Science Proceedings of the 1st International Academic Conference. - 2014. - С. 91-95.
  • Рогачев, А. С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику [Текст] / А. С. Рогачев, А. С. Мукасьян. - Москва : Физматлит, 2013. - 400 с.
  • Виртуальная тепловизионная система с микросекундным периодом регистрации [Текст] / А. В. Долматов, А. О. Маковеев, К. А. Ермаков [и др.] // Ползуновский альманах. - 2012. - № 2. - С. 31-36.
  • Комплекс автоматизированной калибровки тепловизионной системы на базе MATLAB [Текст] / А. В. Долматов, К. А. Ермаков, В. В. Лавриков [и др.] // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 2 (25). - С. 59-63.
  • Дискретность и эргодичность процесса СВС в хронографическом представлении микротепловизионных данных [Текст] / А. В. Долматов, П. Ю. Гуляев, И. В. Милюкова [и др.] // Неизотермические явления и процессы: от теории теплового взрыва к структурной макрокинетике. К 85-летию со дня рождения академика А. Г. Мержанова : тезисы докладов. - Черноголовка, 2016. - С. 86-87.

Views

Abstract - 2

PDF (Russian) - 0


Copyright (c) 2017 Dolmatov A.V., Berestok G.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.