Механизмы гетерогенной рекомбинации атомов азота и кислорода

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена проблема гетерогенной рекомбинации атомов азота и кислорода. Проведен анализ процессов, влияющих на результаты измерений вероятности рекомбинации. В работе представлены данные авторов по гетерогенной рекомбинации атомов в диапазонах температур 300–3000 К и давлений 0.01–50 гПа. Вероятности гетерогенной рекомбинации атомов О и N на поверхности кварца измерены с помощью метода резонансно-флуоресцентной спектроскопии в строго контролируемых условиях при температурах 300–1000 К и давлениях 0.01–10 гПа в реакторах ИБХФ. Определены области давлений и температур, где рекомбинация происходит преимущественно по схеме Ленгмюра–Хиншельвуда или Райдила–Или. В экспериментах на установке ВАТ-104 ЦАГИ в диапазонах температур 1000–3000 К и давлений 5–50 гПа определены эффективные значения константы скорости совместной гетерогенной рекомбинации, Kw, атомов азота и кислорода с помощью измерений удельных тепловых потоков. Исследовались покрытия с поверхностным слоем, близким по составу к кварцу, и ряд высокотемпературных керамик на базе боридов гафния (циркония). При этом показано, что гетерогенная рекомбинация имеет место и при температурах 2500–3000 К. Рассмотрен новый механизм гетерогенной рекомбинации атомов азота и кислорода. Под воздействием высокоскоростного потока плазмы керамика окисляется и образуется слой поликристаллов оксида гафния (циркония). Наблюдающийся скачок температуры при ≈1000 К и теплового потока до 4–5 раз вызван каталитической активностью тетрагональной и кубической фаз поликристаллов HfO2 (ZrO2). Высокая каталитическая активность оксидного слоя, по-видимому, объясняется новым механизмом рекомбинации, связанным с встраиванием атомов азота и кислорода в кристаллическую решетку (образованием твердого раствора).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. Н. Козлов

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: kozlovse@yandex.ru
Россия, Москва

Б. Е. Жестков

Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского; Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Email: kozlovse@yandex.ru
Россия, Жуковский; Москва

Список литературы

  1. Крылов О.В. Гетерогенный катализ. М.: ИКЦ “Академкнига”, 2004.
  2. Ковалев В.Л. Гетерогенные каталитические процессы в аэротермодинамике. М.: Физматлит, 2002.
  3. Александров Е.Н., Жестков Б.Е., Козлов С.Н. // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. № 1. С. 41; https://doi.org/10.7868/S0040364413060021
  4. Жестков Б.Е., Козлов С.Н., Александров Е.Н. // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 3. С. 361; https://doi.org/10.1134/S0040364419030219
  5. Козлов С.Н., Жестков Б.Е. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 11. С. 1; https://doi.org/10.31857/S0207401X22110061
  6. Холодкова Н.В., Холодков И.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2014. Т. 57. Вып. 2. С. 3.
  7. Александров Е.Н., Егоров И.В., Жестков Б.Е, Козлов С.Н.,. Русаков С.В. // Сб. “Результаты фундаментальных исследований в прикладных задачах авиастроения”. М.: “Наука”, 2016. С. 150.
  8. Жестков Б.Е., Штапов В.В. // Завод. лаб. 2016. Т. 82. № 12. С. 58.
  9. Жестков Б.Е., Терентьева В.С. // Металлы. 2010. № 1. С. 39.
  10. Astapov A.N., Zhestkov B.E., Lifanov I.P., Terentieva V.S. // International Conf. on High-Speed Vehicle Science & Technology. Moskow: TsAGI, 2018. Report 2990962 pdf.
  11. Astapov A.N., Zhestkov B.E., Pogozhev Yu.S., et al. // Corrosion Sci. 2021. V. 189. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109587
  12. Astapov A.N., Zhestkov B.E., Lifanov I.P. et al. // Arabian J. Sci. Engin. 2019. V. 53. № 6. P. 762.
  13. Vaganov A.V., Zhestkov B.E., Lyamin Yu.B., Poilov V.Z., Pryamilova E.N. // AIP Conf. Proc. N.Y.: AIP Publishing, 2016. 1770, 030097. doi: 10.1063/1.4964039
  14. Каблов Е.Н., Жестков Б.Е., Гращенков Д.В. и др. // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55. № 6. С. 704. https://doi.org/10.7868/S0040364417060059
  15. Жестков Б.Е., Ваганова М.Л., Лебедева Ю.Е., Сорокин О.Ю., Медведев П.Н. // Теплофизика высоких температур 2018. Т. 56. № 3. С. 395. https://doi.org/10.7868/S0040364418030109
  16. Vaganov A.V., Zhestkov B.E., Sakharov I.V., Senyuev I.V. et al. // Proc. Intern. Conf. on High-Speed Vehicle Science & Technology. Moskow: TsAGI, 2018. Report 38601093.pdf
  17. Sakharov V.I., Senyuev I. V., Zhestkov B.E. // Phys.-Chem. Kinet. Gas Dynamics. 2019. V. 20. № 2. P. 1; https://doi.org/10.33257/PhChGD.20.2.819.
  18. Козлов С.Н., Александров Е.Н., Жестков Б.Е., Кислюк М.У. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1987. № 11. С. 2449.
  19. Жестков Б.Е. // Уч. зап. ЦАГИ. 2014. Т. XLV. № 5. С. 62.
  20. Мошаров В.Е., Радченко В.Н., Сенюев И.В. // ПТЭ. 2013. № 4. С. 132.
  21. Сенюев И.В. // Уч. зап. ЦАГИ. 2017. Т. XLVIII. № 2. С. 5.
  22. Жестков Б.Е. Сенюев И.В., Похвалинский С.М., Штапов В.В. Способ определения теплового потока. Патент RU 2752396 // Б.И. 2021. № 21.
  23. Башкин В.А., Егоров И.В., Жестков Б.Е., Шведченко В.В. // Теплофизика высоких температур. 2008. Т. 46. № 5. С. 771.
  24. Егоров И.В., Жестков Б.Е., Шведченко В.В. // Уч. зап. ЦАГИ. 2014. Т. XLV. № 1. С. 3.
  25. Ваганов А.В., Жестков Б.Е., Сенюев И.В. Способ определения каталитической активности материалов и покрытий. Патент RU 2792255 // Б. И. 2023. № 9.
  26. Кузнецов Н.М, Козлов С.Н. // Хим. физика. 2019. Т. 38. № 5. С. 29; doi: 10.1134/S1990793119030072
  27. Козлов С.Н. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 8. С. 40; https://doi.org/10.31857/S0207401X20080075.
  28. Козлов С.Н., Тереза А.М., Медведев С.П. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 8. С. 34. https://doi.org/10.31857/S0207401X21080070

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. а ‒ Установка для измерения вероятности гетерогенной рекомбинации атомов: 1 – кварцевый реактор с нагреваемыми стенками для температур 300–700 K; 2 – печь; 3 – источник резонансного излучения; 4–5 – приемники резонансного излучения; 6 – СВЧ-резонатор, обеспечивающий диссоциацию газа в кварцевом отростке 7, 8 – датчик давления; 9 – электронная система обработки сигналов; 10 – компьютер. б ‒ другой вариант установки 1 – кварцевый реактор с охлаждаемыми стенками; 2 – кварцевая “рубашка”; 3 ‒ исследуемый образец; 4 ‒ нагреватель; 5 – резонатор СВЧ-генератора; 6 ‒ источник резонансного излучения; 7 – приемники резонансного излучения; 8 – датчик давления; 9 – электронный блок обработки сигналов; 10 – компьютер системы регистрации; 11 ‒ кварцевый отросток реактора для вымораживания продуктов реакции. Точкой А на обоих рисунках обозначено место регистрации исследуемых атомов.

Скачать (38KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема аэродинамической трубы ВАТ-104: 1 – измеритель расхода рабочего газа, 2 – система регуляторов расхода рабочего газа, 3 – высокочастотный индукционный подогреватель газа, 4 – высокочастотный генератор, 5 – сопло АДТ, 6 – зеркало для измерения распределения температуры передней поверхности исследуемого образца, 7, 8 – координатные механизмы, 9 – оптические окна, 10 – пирометр, 11 – видеокамера для регистрации режима обтекания модели, 12 – тепловизор, 13 – теплообменник, 14 – места подключения датчиков давления, 15 – система вакуумирования, 16 ‒ рабочая камера.

Скачать (46KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость вероятности рекомбинации γ атомов кислорода от давления при температурах 417–650 K в смеси с первоначальным составом 10% O2 + 90% He.

Скачать (24KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость вероятности рекомбинации γ атомов азота от давления при температурах 300–658 K в смеси, первоначальным составом 20% N2 + 80% He.

Скачать (26KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фото испытания образца керамики в АДТ ВАТ-104.

Скачать (113KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Рост температуры образца в процессе нагрева, окисления и образования высококаталитического оксидного слоя.

Скачать (54KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость температуры образца керамики от давления в подогревателе.

Скачать (42KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость яркостной температуры образца от давления в подогревателе при обтекании воздушной плазмой.

Скачать (43KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость яркостной температуры образца от давления в подогревателе при обтекании азотной плазмой.

Скачать (42KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024