Физико-химическая конденсация в двухфазных реагирующих системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Доронин, Сергей Иванович

• Доронин, Сергей Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-химическая конденсация в двухфазных реагирующих системах»

В последнее время широкое распространение получили новые технологические процессы, связанные с образованием конденсированной фазы из газа в результате физико-химических превращений. Одним из примеров такой технологии являются CVD- процессы [1] (Chemical Vapor Deposition - химическое соосаждение из пара). Этот метод широко используется для нанесения тонких пленок из разнообразных высокотехнологичных материалов на поверхность подложки. В качестве подложки может выступать плоская пластина, тонкая нить или поверхность мелкодисперсных частиц. В типичном CVD- процессе газообразные реагенты (часто разбавленные в несущем газе) вводятся в реакционную камеру. Процесс инициируется нагреванием подложки или смеси в целом. В результате совместного протекания гомогенно-гетерогенных реакций происходит осаждение парофазных продуктов реакции на твердой поверхности. Важный момент этого процесса -наличие узкой зоны вблизи поверхности конденсированной фазы [1], связанной с гетерогенными превращениями на межфазной границе и конечной скоростью диффузионного транспорта компонентов. Концентрации реагентов и температура газа в этой зоне существенно отличаются от их значений в остальном объеме газовой фазы.

Физико-химическая модель процесса, учитывающая особенности приповерхностной зоны, была предложена в работе [2] и развита в работах [3]- [6]. Основное предположение модели заключается в том, что термодинамические параметры состояния газовой фазы вблизи поверхности раздела фаз (микроскопические параметры) непосредственно влияют на скорость фазовыделения и условия равновесия фаз на этой поверхности, и , в свою очередь, зависят от параметров газовой фазы во всем объеме (макроскопических параметров). Существует и обратная связь - макропараметры зависят от микропараметров, т.е. от процессов, происходящих на поверхности конденсированной фазы. Таким образом, состояние системы предлагается рассматривать как результат совместного протекания процессов на макро- и микроуровне. В этом случае задача существенно усложняется, и вместо отдельных независимых частиц конденсированной фазы мы получаем систему частиц, взаимодействующих между собой посредством процессов в газовой фазе, и нужны специальные математические методы для ее описания. До настоящего времени задача о химическом соосаждении из пара в подобной постановке не рассматривалась, а решались более простые задачи для предельных случаев пересыщения паров конденсирующейся фазы, когда взаимодействием между частицами можно было пренебречь.

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, основной части, выводов, двух приложений и литературы. Основная часть содержит три главы.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Доронин, Сергей Иванович

Выводы.

1. При помощи введения дополнительной термодинамической фазы, параметры которой соответствуют узкой приповерхностной зоне над конденсирующимся продуктом, предложен метод описания гетерогенных химических процессов в многофазных средах.

2. Сформулирована математическая модель химического газофазного осаждения конденсированного продукта с учетом локальных тепловых и концентрационных микронеоднородностей, возникающих в его окрестности.

3. Проведен численный анализ и классификация возможных режимов физико-химической конденсации.

4. На основе численного анализа показано, что концентрация насыщенных паров конденсирующегося компонента , определяющая условия роста или испарения зародышей конденсированной фазы, существенно зависит от константы равновесия стадии собственно гетерогенной реакции.

5. Численно исследован процесс альтернативной конденсации двух продуктов на ультрадисперстных частицах в диффузионном и кинетическом режимах при наличии фазового равновесия с газом и при его отсутствии.

6. Найдены условия формирования гомогенных и градиентных по составу частиц конденсированных продуктов.

7. Исследованы макроскопические режимы конденсации при разных значениях площади межфазной поверхности, показана возможность осуществления различных режимов локального фазовыделения и получения продукта неоднородного по своему составу в разных частях реактора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Доронин, Сергей Иванович, 1999 год

1. http://www.postech.ac.kr/ce/lamp/cvd.htm

2. Григорьев Ю. М, Филимонов И. А. // Химическая физика. 1994. т. 13. №10. с. 147-155.

3. Григорьев Ю. М, Доронин С. И., Филимонов И. А. Макрокинетика фазовыделения в процессах конденсационного горения газов // XI Симпозиум по горению и взрыву. Черноголовка. 1996. Тезисы докладов.

4. Григорьев Ю. М, Доронин С. И., Филимонов И. А. // ФГВ. 1998. т.34. №3. с. 37-45.

5. Григорьев Ю. М, Доронин С. И., Филимонов И. А. // Химическая физика. 1999. т. 18. №12. с. 25-30.

6. Доронин С. И. К теории фазовыделения в химически реагирующих системах. Препринт. Черноголовка. 1999.

7. Путилов К. А. Термодинамика. М.: Наука, 1971.

8. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. М.: Мир, 1972.

9. Stodola А. Steam and Gas Turbines. N. Y.: Mc Graw-Hill, 1927.

10. Вегенер П. П., Мак JI. М. Конденсация в сверхзвуковых и гиперзвуковых аэродинамических трубах. В кн.: Проблемы механики, под ред. Х.Драйдена и Т. Кармана. М. ИЛ, 1961, т. 3, с. 254-367.

11. Hermann R. Der Kondensationsstoss in Uberschall-Windkanaldusen. Luftfahrt-forshung, 1942, 19, s. 201-209.

12. Oswatitsch K. Kondensationserscheinungen in Uberschalldusen. ZAMM 1942, 22, s. 1-14.

13. Малюжинец С. Д. Конденсация в потоке паровоздушной смеси. Сб. Теоретическая гидромеханика, Оборонгиз, 1949, № 4, с. 71-86.

14. Лушников А. А., Сутугин А. Г. Современные состояние теории гомогенной нуклеации. // Успехи химии, 1976, т. 45, №3, с. 385.

15. Volmer М., Weber А. Keimbildung in übersättigten Gebilden. Zeitschrift für physikalische Chemie, 1926, 119, s. 277-301.

16. Becker R., Döring W. Kinetische Behandlung der Keimbildung in übersättigten Dämpfen. Annalen der Physik, 1935, 24, s. 719-752.

17. Зельдович Я. Б. К теории образования новой фазы. Кавитация. // Журнал эксперементальной и теоретической физики, 1942, № 12, вып. 11-12, с. 525-538.

18. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. M.-JL, Изд-во АН СССР, 1945, 423 с.

19. Федер Дж. и др. Гомогенное образование зародышей при конденсации. -Сб. Гетерогенное горение. М. Мир, 1967 с. 469-476.

20. Gyarmathy G. Ein analytisches Berechnungsverfahren für spontane Kondensationsvorgänge. VDI-Forschungsheft, 1965, № 508, s. 5-30.

21. Gyarmathy G., Meyer H. Versuche über den Einfluß der Entspannungsschnelligkeit auf die Nebelbildung in übersättigtem Wasserdampf. VDI-Forschungsheft, 1965, № 508, s. 31-48.

22. Lothe J., Pound G. M. Reconsideration of Nucleation Theory. // The Journal of Chemical Physics, 1962, 36, №8, pp. 2080-2085.

23. Баханов В. П., Буйков М. В. Об учете трансляционных и вращательных степеней свободы при вычислении работы образования зародыша в теории нуклеации. // Украинский физический журнал, Киев , Наукова думка, 1969, т. 13, вып. 5, с. 761-766.

24. Kantrowitz A. Nucleation in Very Rapid Vapor Expansion. // The Journal of Chemical Physics, 1951, 19, pp. 1097-1100.

25. Probstein R. F. Time Lag in Self Nucleation of a Super-Saturated Vapor. // The Journal of Chemical Physics, 1951,19, pp. 619-625.

26. Courtney W. Non-Steady-State Nucleation. // The Journal of Chemical Physics, 1962, 36, №8, pp. 2009-2017.

27. Куртни Конденсация в соплах. // Вопросы ракетной техники, 1965, №11, с. 3-22.

28. Фукс Н. А. Испарение и рост капель в газообразной среде. М., Изд-во АН СССР, 1958, 92 с.

29. Амелин А. Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М., Химия, 1966, 294с.

30. Кань Сан-вук. Исследование роста конденсированных частиц в разреженных и континуальных средах. // Ракетная техника и космонавтика, 1967, №7, с. 91-99.

31. Амелин А. Г., Яшке Е. В., Кургин Ю. С. Температура капли в пересыщенном паре. // Коллоидный журнал, 1961, вып. 23, №6, с. 652-657.

32. Hill P. G. Condemnation of Water During Supersonic Expansion in Nozzles. // The Journal of fluid Mechanics, 1966, 25, pt. 3, pp. 593-620.

33. Wegener P., Pouring A. Experiment on Condensation of Water Vapor by Homogeneous Nucleation in Nozzles. The Phusics of Fluids, 1964, 7, №3, pp. 352-361.

34. Баханов В. П. Спонтанная конденсация водяного пара при течении в сверхзвуковом сопле. Труды УкрНИГМИ, М., Гидрометеоиздат, 1972, вып. 118, с. 46-59.

35. Баханов В. П., Буйков М. В. Замкнутая система уравнений двухфазной газодинамики при наличии химических реакций и квазистационарной гомогенной конденсации. Труды УкрНИГМИ, М., Гидрометеоиздат, 1971, вып. 99, с. 21-24.

36. Ostwald W. // Zs. phys. Chem., 1900, Bd. 34, s. 495.

37. Kac M., Uhlenbec G, Hemmer P. // J. Math. Phys, 1963, 4, p. 216.

38. Gerlach R. // J. Chem. Phys, 1969, 51, p. 2196.

39. White G. //J. Chem. Phys, 1969, 50, p. 4672.

40. Barnard A. // Proc. Roy. Soc, 1953, A220, p. 132

41. Петровский В. А, Амелин А. Г. // Коллоидн. ж, 1969, 31, с. 276.

42. Дерягин Б. В. // ДАН, 1970, 113, с. 1096.

43. Дерягин Б. В //ЖЭТХ, 1973,10, с. 279.

44. McDonald J. // Am. J. Phys, 1962, 30, p. 870.

45. Сирота H.H. // ДАН СССР, 1943, т. 40, с. 265.

46. Тодес О. М. Статистические явления в гетерогенных системах. Проблемы кинетики и катализа. М JI.: Изд-во АН СССР, 1949.

47. Greenwood J. W. // Acta Met, 1956, v.4, p.243

48. Псарев В. H„ Салли И. В. // ФММ, 1957, т. 5, с. 268.

49. Лифшиц И. М, Слезов В. В. // ЖЭТФ, 1958, т. 35, с. 479.

50. Лифшиц И. М, Слезов В. В. // ФТТ, 1959, т. 1,с. 1401.

51. Lifshitz J. М, Slezov V. V. // J. Phys. and Chem. Sol, 1961, v. 19, p. 35.

52. Слезов B.B, Сагалович В.В. //ФТТ, 1975, т. 17, с. 1497.

53. Слезов В. В, Сагалович В. В. // Изв. АН СССР, сер. Неорганические материалы, 1976, т. 12, с. 1719.

54. Slezov V. V., Sagalovich V. Y. // J. Phys. and Chem. Col., 1977, v. 38, p. 943.

55. Слезов B.B., Сагалович B.B. // ФММ, 1981, т. 52, с. 263.

56. Мошинский А. И. // Коллоид, журн., 1990, т. 52, № 4, с. 710.

57. Buyevich Yu. A., Mansurov V. V. // J. Crystal Growth, 1990, v. 104, № 5, p. 816.

58. Мелихов А. А., Куни Ф. M. // Коллоид, жури., 1985, т. 47, № 1, с. 77.

59. Крестинин А. В. // Хим. физика. 1998. Т.17. № 8. С. 41-56.

60. Allard Е., Kassner J. // J. Chem. Phys., 1965, v. 42, p. 1401.

61. Allen E., Kassner J. // J. Coll. Interface Sci., 1969, v. 30, p. 81.

62. Stahorska D. // Acta Phys. Polonica, 1956, v. 15, p. 5.

63. Stein G. // J. Chem. Phys, 1969, v. 51, p. 938.

64. Clumpner J. // J. Chem. Phys, 1972, v. 55, p. 5042.

65. Schuster B, Good W. // J. Chem. Phys, 1966, v. 44, p. 3132.

66. Courtney W. // J. Chem. Phys, 1963, v. 38, p. 1448.

67. Kortzeborn R. N, Abraham F. // J. Chem. Phys, 1973, v. 58, p. 1529.

68. Allen J, Kassner J. Proc. Int. Conf. Weather Modification, Melborn, 1973,

69. Oxford Univ. Press, Oxford, 1974, p. 228.

70. Courtney W. // J. Chem. Phys, 1962, v. 36, p. 2018.1.nd L, Rivers J. // J. Chem. Phys, 1966, v. 45, p. 4613.1.ngsdorf A. // Rev. Sci. Instr, 1939, v. 10, p. 91.

71. Katz J, Ostermeyer B. // J. Chem. Phys, 1967, v. 47, p. 478.

72. Katz J. // J. Chem. Phys, 1967, v. 52, p. 4733.

73. Clampner J. // J. Chem. Phys, 1972, v. 55, p. 5042.

74. Stein G. J. Chem. Phys, 1969, v. 51, p. 938.

75. Салтаиов Г. А. Сверхзвуковые двухфазные течения, Минск, Вышейшая школа, 1972, гл. 3.

76. Kantrowitz A, Grey J. // Rev. Sci. Instr, 1951, v. 22, p. 328.

77. Burghoff H, Gspann J. // Z. Naturforsch, 1967, 22a, 684.

78. Skinner G, Moizis J. II Phys. Fluids, 1965, v. 8, p. 452.

79. Scott J. // Entropia, 1969, № 30, с. 1.

80. Ген M. Я, Петров Ю. И. // Усп. химии, 1969, т. 38, с. 828.

81. Turkevich J. Findamental Phenomenological Material Scienca, N. Y, Plenum1. Press, 1966, v. 3.

82. Лушников А. А., Сутугин А. Г. // Теор. основы хим. технол., 1974, т. 8, с. 608.

83. Wegener P., Lundquist G. // J. Appl. Phys., 1951, v. 22, p. 233.

84. Graham S„ Homer J. // Proc. Roy. Soc., 1972, v. 327, p. 61.

85. Каширенинов О. E., Кузнецов В. А., Манелис Г. Б. // Докл. АН СССР, 1974, т. 215, с. 908.

86. Каширенинов О. Е., Кузнецов В. А., Манелис Г. Б. // ЖФХ, 1975, т. 49, №4, с. 888.

87. Кузнецов В. А., Каширенинов О. Е. // ЖФХ, 1977, т. 51, № 12, с. 3109.

88. Кузнецов В. А., Каширенинов О. Е., Репка Л. Ф. // ЖФХ, 1978, т. 52, № 2, с. 430.

89. Polany M. Atomic Reaction, London, Williams and Norgate, 1932.

90. Garvin D., Guinn V. P., Kistiakowsky G. B. // Disc. Faraday Soc., 1954, v. 32, № 17.

91. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987.

92. Warnatz J. // 24th (Int.) Symp. on Combustion, The Combustion Inst., 1992, pp.553-579.

93. Dean A.M. // J. Phys. Chem., 1985, 89, 4600.

94. Just Th. // 25th (Int.) Symp. on Combustion, The Combustion Inst., 1994, Invited lecture.

95. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Часть 1. M : Наука, 1976.

96. Варламов А.Г., Григорьев Ю.М., Моравская Т.М., Шульга Ю.М. // ЖНХ, 1991, т.36, вып. 6, с. 1544.

97. Орлов A.B., Варламов А.Г., Григорьев Ю.М. // ЖНХ, 1992, т.37, вып. 5, с. 1103.

98. Григорьев Ю.М., Шугаев В.А., Мукасьян A.C., Самойленко Н.Г., Ширяев A.A. // ЖНХ, 1991, т.36, вып. 8, с. 1931.

99. Буров Ю.М., Григорьев Ю.М., Давыдов Г.И. // ЖНХ, 1996, т.41, № 1, с. 23.

100. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. Т 1.

101. Вильяме Ф. А. Теория горения. М.: Наука, 1971.

102. Вольперт А. И., Доронин С. И. О численных методах решения неконсервативных гиперболических уравнений. Препринт. Черноголовка. 1994.