基于电场诱导材料燃烧合成及数学模型建立的研究

摘要

作为一种燃烧合成的新技术，本文基于利用电场的大电流直接通过反应物体系对其急速加热，采用Gleeble-1500D热模拟机进行试验，利用电场来诱发、维持和控制燃烧反应作了以下研究工作：　　(1)采用Gleeble-1500D热模拟仪，分别对Fe-Ti-C、Fe-V-C、W-C-Co三元系在低温电场用下燃烧合成过程升温特性进行了研究，分别得出了三种体系设定不同升温速度的燃烧合成过程的温度-时间关系曲线，并分别对三种体系温度时间关系曲线作了深入分析。　　(2)采用X-射线衍射仪(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)对三种体系合成产物的物相及表面形貌作了观察分析，结果表明，三种体系在试验的预设升温速度下都发生了反应，且对同一体系随着升温速度的提高产物颗粒变小。　　(3)探讨了同一体系不同预设升温速度及不同体系同一预设升温速度体系放热量对体系燃烧合成特征值(点火温度、点火延迟时间、升温加速度波动)的影响。对同一体系，随着升温速度的升高，点火时间变短，点火温度降低。对于升温速度相同的高、中、低放热体系，体系放热量越多，点火温度就越低，点火延迟时间就越短。　　(4)在实验的基础上，基于能量守恒定律，建立三种体系燃烧合成的数学模型，得出体系转化率随时间变化关系曲线及体系最终转化率，探讨了同一体系不同预设升温速度及不同体系同一预设升温速度体系放热量对体系最终转化率的影响，三种体系最终转化率都随预设升温速率及放热量的增大而增加，也就是说预设升温速度越高，体系放热量越大，最终转化率就越高。　　(5)基于金斯特林格方程对三种体系燃烧过程机理进行了探讨，证实电场诱导下Fe-Ti-C、Fe-V-C、W-C-Co体系燃烧合成过程符合金斯特林格方程，即三种体系燃烧合成确是在固相下进行的，并按固相扩散金斯特林格动力学模型提出了三种体系燃烧合成过程的机理。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1铁基复合材料

1.2铁基复合材料的制备方法

1.2.1粉末冶金法

1.2.2铸造法

1.2.3喷射沉积法

1.2.4原位合成法

1.3 TiC颗粒增强铁基复合材料

1.3.1原位合成TiC增强铁基复合材料

1.3.2高温自蔓延合成法(SHS)制备TiC增强铁基复合材料

1.4碳化钒增强的铁基复合材料

1.5 WC硬质合金的研究现状

1.6燃烧合成研究的现状

1.7燃烧合成研究的主要方法

1.7.1热分析法

1.7.2动态X射线衍射分析法

1.7.3淬火—逐层分析法

1.7.4基于电场辅助分析法

1.8研究方向的提出及选题的意义

1.9本课题研究的实施路线

第二章电场作用下Fe-Ti-C系的燃烧合成

2.1试样的成分设计

2.2实验的主要仪器

2.3试验方法

2.4 Ti44体系的燃烧合成

2.4.1电场作用下Ti44体系燃烧合成的特征

2.4.2预设升温速度对Ti44体系燃烧合成的影响

2.5电场作用下Ti32体系的燃烧合成

2.6小结

第三章电场作用下Fe-V-C系的燃烧合成

3.1试验方法

3.2电场作用下Fe-V-C燃烧合成的特征

3.3预设升温速度对体系燃烧合成的影响

3.3.1预设升温速度对升温特性的影响

3.3.2预设升温速度对合成产物的影响

3.4小结

第四章电场作用下W-C-Co系的燃烧合成

4.1试验方法

4.2电场作用下W-C-Co燃烧合成的特征

4.3预设升温速度对体系燃烧合成的影响

4.3.1预设升温速度对升温特性的影响

4.3.2预设升温速度对合成产物的影响

4.4三种体系的对比讨论

4.5小结

第五章燃烧合成的数学模型的建立及计算结果

5.1能量守恒方程的建立

5.1.1化学反应前能量守恒方程的确立

5.1.2化学反应后能量守恒方程的确立

5.2压坯发生反应的初始温度T0的确定

5.3热容的确定

5.4各体系转化率的计算

5.4.1 Fe-Ti-C体系的转化率随时间变化关系曲线

5.4.2 Fe-V-C体系的转化率随时间变化关系曲线

5.4.3 W-C-Co体系的转化率随时间变化关系曲线

5.5三种体系的对比讨论

5.6小结

第六章电场诱导燃烧合成动力学分析

6.1金斯特林格方程

6.2根据金斯特林格反应动力学方程的计算

6.2.1对于Fe-Ti-C体系Kκ的确定

6.2.2对于Fe-V-C体系Kκ的确定

6.2.3对于W-C-Co体系Kκ的确定

6.3各体系Kκ值的对比分析

6.4电场诱导体系燃烧合成机理

6.5小结

第七章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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致谢