19178

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТАБЛЕТОК НА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ СПЕКАНИЯ

Лекция

Энергетика

ЛЕКЦИЯ 13 ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТАБЛЕТОК НА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ СПЕКАНИЯ На начальной стадии спекания изменение объема прессовки определяется процессами припекания частиц. С увеличением площади контакта поры локализуются на границах и представляют собой совок...

Русский

2013-07-11

322 KB

11 чел.

ЛЕКЦИЯ 13

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТАБЛЕТОК НА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ СПЕКАНИЯ

На начальной стадии спекания изменение объема прессовки определяется процессами припекания частиц. С увеличением площади контакта поры локализуются на границах и представляют собой совокупность сообщающихся открытых каналов. Цилиндрические поры, у которых длина становится много больше диаметра, начинают дробиться, и в процессе роста зерен образуются закрытые поры. Пористость остается открытой до плотности примерно 85 % от теоретической.

Формирование пористости на заключительной стадии спекания

На заключительной стадии спекания в системе, состоящей из пор и зерен твердой фазы, убыль межфазной поверхностной энергии происходит по следующим причинам:

• залечивание пор, сопровождающееся уменьшением их объема и поверхности — “внешнее спекание”;

• укрупнение пор путем их слияния при неизменном общем объеме (пористости). Данное явление известно, как коалесценция или “внутреннее спекание”;

• уменьшение суммарной площади границ раздела вследствие роста зерен (собирательная рекристаллизация).

Рассмотрим идеализированный случай, когда одиночная пора радиусом R расположена в монокристалле с характерным размером d (рис.1). 

Рис.1. Пора в кристалле

Распределение концентрации вакансий в кристалле описывается уравнением:

.

На большом удалении от поры концентрация вакансий равна термодинамической концентрации — С0. На поверхности поры, при r = R, как было показано в предыдущей лекции, концентрация равна:

                                                  .                                           (1)

Решение уравнения с указанными выше граничными условиями имеет вид:

.

Не будем забывать, что dR. Поток вакансий определяется уравнением Фика:

.

Изменение объема поры равно количеству вакансий, пересекающих поверхность, ограниченную радиусом d:

.

Учитывая, что dV=4R2dR, и заменяя С(R) в соответствии с выражением (1), получим закон изменения радиуса поры от времени:

                                                    ,                                            (2)

где R0 — начальный радиус поры; Dv — коэффициент объемной диффузии, равный DC0.

Таким образом, радиус одиночной поры уменьшается со временем пропорционально t1/3, а изменение объема пропорционально времени отжига.

Другим механизмом залечивания поры является механизм вязкого течения вещества под действием лапласовского давления (рис.2).

Как было показано ранее, скорость вязкой деформации равна:

                                                                                     .                                                             (3)

Вязкость кристалла определяется коэффициентом диффузии и расстоянием до стока вакансий — d:

.

Рис.2. Залечивание поры по механизму вязкого течения

Из соотношения (3) следует:

.

Решение последнего уравнения дает закон изменения радиуса поры в виде:

.

При диффузионном заплывании поры ее размер уменьшается пропорционально времени.

В реальных структурах действие того или иного механизма залечивания поры определяется конкретным ее окружением, точнее — расстоянием до стока вакансий.

Рис.3. Схемы залечивания изолированной поры: а) — l1, б) — l1, в) — l1

Возможны три варианта окружения поры:

  •  размер поры много меньше расстояния до стока — l=R/d1;
  •  размер поры много больше расстояния до стока — l=R/d1;
  •  размер поры сравним с расстоянием до стока — l=R/d1.

Схематично эти варианты представлены на рис.3.

Если расстояние до стока большое (l1) пора уменьшается по механизму диффузионного растворения. В случае малых расстояний до стока (l1) уменьшение размеров поры контролируется вязким течением. При сравнимых размерах, когда пора находиться на границе зерна или на пересечении границ блоков процесс контролируется согласованным диффузионным перемещением центров масс всех блоков к центру поры.

Ансамбль пор в кристалле

Рассмотрим ситуацию, когда в кристалле находится множество пор разного размера. Будем считать, что поры в ансамбле диффузионно не взаимодействуют. Это означает, что в непосредственной близости каждой из пор распределение вакансий определяется лишь радиусом этой поры и не зависит от пор, расположенных по соседству. В этом случае среднее расстояние между порами l должно существенно превосходить их средний радиус: l > R. Совокупность всех пор определяет некоторый усредненный по всему ансамблю уровень пересыщения решетки вакансиями, своеобразное обобществленное "вакансионное поле". Судьба каждой из пор определяется  ее взаимодействием с этим усредненным полем. На этом основании все множество пор в ансамбле может быть разделено на три группы. К первой группе относятся крупные поры, вблизи которых концентрация вакансий, обусловленная искривленностью их поверхности, меньше, чем усредненная концентрация в "вакансионном поле". К таким порам будет направлен поток вакансий, и они будут расти. К другой группе относятся маленькие поры, вблизи которых концентрация вакансий больше, чем средняя концентрация в обобщенном поле. Поток вакансий направлен от этих пор, и они залечиваются. Поры промежуточной группы имеют радиус Rk, который определяется тем, что концентрация вакансий вблизи поверхности пор равна усредненной концентрации вакансий в обобщенном вакансионном поле. Эти поры не изменяют размера. Описываемый процесс, когда крупные поры растут за счет уменьшающихся и исчезающих мелких, естественно сопровождается увеличением среднего размера пор и, следовательно, при неизменном объеме пустоты в порах — уменьшением их суммарной поверхностной энергии. Процесс коалесценции в идеале может продолжаться до полного слияния всех пор в одну. Это явление известно как «коалесценция пор» Еще раз отметим, что изменения объема кристалла или его пористости не происходит.

Излагаемый ниже вариант теории коалесценции в ансамбле разновеликих пор построен применительно к ситуации, когда узким звеном процесса переноса массы между порами является собственно диффузионная, а не граничная кинетика.

Для того чтобы выяснить, какой механизм спекания на заключительной стадии предпочтение (залечивание пор или коалесценция), определим соотношение изменения свободной энергии при залечивании пор  и при коалесценции. Изменение свободной энергии при спекании (Fспек) в случае полного залечивания пор равно произведению полной поверхности и поверхностной энергии:

                                                            ,                                       (4)

где  R —  средний радиус пор; n — их концентрация; — поверхностная энергия.

Предположим теперь, что в системе протекает полная коалесценция, т.е. все имеющиеся поры сливаются в одну крупную радиусом R0. Тогда изменение свободной энергии (Fкоал) равно:

                                                                      (5)

По определению в течение коалесценции суммарный объем пор не изменяется, поэтому:

                                  .                                               (6)

 

Из последнего следует, что R0=Rn1/3 , а отношение изменений свободой энергии при спекании и коалисценции равно:

                                   .                                               (7)

Очевидно, что при больших значениях n выполняется приближенное равенство.  Это означает, что вероятность протекания анализируемых процессов, в общем случае, практически, одинакова.

Спекание и коалиценция контролируются диффузией. Преобладание того или иного механизма спекания зависит от нескольких факторов. Один из них – соотношение значений энергий активации. Если энергия активации коалисценции меньше, чем залечивания пор (спекания), формируются относительно крупные, немногочисленные поры, как результат слияния более мелких.  

Другой фактор — удаленность поры от стоков вакансий. Наиболее эффективными стоками вакансий, как известно, являются границы зерен, поэтому преобладание того или иного механизма спекания зависит от локализации рассматриваемого участка. Вблизи границ зерен, очевидно, преобладает процесс залечивания пор, а на относительно большом удалении - коалесценция. В связи с этим в микроструктуре большого числа керамических материалов можно выделить три зоны (рис.4):

  •  область, содержащую относительно крупные поры, находящуюся в центре зерен, т. е. вдали от границ;
  •  зону, которая вследствие эффективного протекания процесса залечивания практически не содержит пор, так называемую “корку“;
  •  промежуточную зону.

Рис.4. Распределение пор в объеме зерна

Таким образом, для получения изделий с малой пористостью необходимо обеспечить условия, при которых спекание осуществляется в материале с мелким зерном.

Слияние пор

Ранее, при рассмотрении слияния двух вакансионных пор было показано, что такой процесс энергетически выгоден, но это не приводит к изменению общей пористости кристалла.

Миграция пор в кристалле возможна при наличии градиентов температур или напряжений. В процессе движения поры могут сталкивать и образовывать новые, более крупные. Рассмотрим задачу о слиянии двух равновесных пор. Под термином равновесная пора будем понимать пору, давление в которой равно лапласовскому.

Пусть при слиянии двух одинаковых пор радиусом R образуется одна пора радиусом R0.

Приравняем полные энергии пор до слияния и после. Энергия, связанная с давлением газа в поре равна:

                                           .                               (8)

Энергия, связанная с поверхностью равна:

                                                         .                                                  (9)

Из закона сохранения c учетом (8 и 9) следует:

Проведя преобразования последнего выражения, получим:

.

Следовательно, полная поверхность пор при слиянии сохраняется, а объем образовавшейся поры на 2 больше объема двух исходных пор. Это обстоятельство может быть причиной распухания топлива, поры в котором заполнены газообразными продуктами деления.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39037. Разработка многооконных приложений с использованием Borland C++ Builder 88.5 KB
  Для добавления новой формы в проект приложения необходимо вызвать команду File New Form главного меню или нажать соответствующую кнопку на панели инструментов. Для каждой формы приложения вызывается метод CreteForm создать форму объекта приложения ppliction. Главная форма автоматически отображается на экране при запуске приложения в то время как остальные формы которые иногда называют вторичными будут созданы но останутся невидимыми для пользователя до тех пор пока не будут явно...
39038. Количество информации. Мера Хартли и мера Шеннона 80.5 KB
  Рассмотрение предложенных способов измерения количества информации удобно начать с примера. Тем не менее только на основе априорной информации мы не можем точно сказать какое именно число очков выпало в результате конкретного подбрасывания. С поступлением новой информации о результате подбрасывания эта неопределенность может уменьшаться.
39039. Понятие информационной системы 98.5 KB
  Сейчас пришло время дать этому понятию более точное определение: Информационная система ИС это взаимосвязанная совокупность средств методов и персонала используемых для хранения обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели. Как видно из определения информационные системы обеспечивают сбор хранение обработку поиск выдачу информации необходимой в процессе принятия решений задач из любой области. Основными элементами работы информационных систем являются: ввод новой информации и выдача текущей информации по...
39040. Классификация информационных систем 123 KB
  Основная проблема классификации ИС заключается в том что единой системы оснований для классификации выработать не удалось. Предлагается классифицировать информационные системы по следующим признакам: По масштабам применения настольные офисные и корпоративные. ПО: различные программные приложения связанных общим информационным фондом Такие приложения создаются с помощью так называемых настольных СУБД FoxPro Prdox dBse MS ccess или с помощью файловой системы и диалоговой оболочки для ввода редактирования и обработки данных. Это...
39041. Документальные информационные системы 237 KB
  Практика показывает что чаще всего информация представлена не в виде структурированных массивов данных а в виде простых текстовых документов. В отличие от ФИПС в результате проведения информационного поиска ДИПС выдает потребителю не конкретные сведения факты а совокупность документов смысловое содержание которых соответствует его запросу. Поэтому для автоматизации информационного поиска необходимо формализовать представление смыслового содержания информационного запроса и документов то есть перейти от их записи на естественном языке...
39042. Фактографические информационные системы 194 KB
  Основными компонентами фактографических систем являются Базы Данных и системы управления Базами Данных СУБД. Ее основные задачи: распределение внешней памяти; определение структуры файла; способы именования файлов и отображение их имен на пространство адресов внешней памяти; обеспечение доступа к данным; обеспечение защиты данных в файлах; способы многопользовательского доступа к файлам. Ограничения файловых информационных систем Разделение и изоляция данных. Обработка данных из разных файлов обычно требует значительных усилий...
39043. Интеллектуальные информационные системы ИИС. Экспертные системы 146 KB
  Основные задачи ИИ Представление знаний и разработка систем основанных на знаниях; Разработка естественно-языковых интерфейсов; Разработка систем машинного перевода; Распознавание образов идентификация неизвестного объекта по его признакам; Создание обучающихся и самообучающихся систем; Программное обеспечение интеллектуальных систем развитие существующих...
39044. Информационные системы в экономике и бизнесе 93 KB
  ; Не удавалось построить оптимальную модель планирования при увеличении количества комплектующих до тысяч единиц нельзя чтобы изза отсутствия одной гайки простаивал конвейер по сборке авиадвигателя каждая из которых характеризуется своей динамикой поведения запасов. Усложнение методов планирования запасов привело к появлению более развитого стандарта планирования потребностей в материалах Mteril Requirement Plnning MRP. Недостаток методики MRP: Отсутствие контроля выполнения плана закупок и механизма корректировки этого плана в...
39045. Понятие информации. Способы измерения и оценки информации 196 KB
  Понятие информации Понятие информации Несмотря на то что информация является базовым понятием информатики и кибернетики дать ей точное определение весьма затруднительно. В настоящее время можно выделить три основных подхода к понятию информации: Общенаучный философский. Рассмотрим например переход вещества из твердого состояния в жидкое здесь можно наблюдать материальные преобразования энергетические затраты а также потерю информации относительно расположения атомов. Другой пример: образовательный процесс который сам по себе...