Исследование областей воспламенения силана при разбавлении его аргоном

Исследование областей воспламенения силана при разбавлении его аргоном

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТЕЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ СИЛАНА ПРИ РАЗБАВЛЕНИИ ЕГО АРГОНОМ

Л. Я. Шварцман, А. Г. Петрик, В. Ф. Воробьева

Изучено влияние добавок аргона на пределы воспламенения силана. При увеличении добавок аргона к горючей смеси уменьшается диапазон горючих составов между верхним и нижним концентрационными пределами. Критические концентрации выбирались исходя из момента начала самопроизвольного протекания реакции по ИК-спектрам силана непосредсгвонно в момент воспламенения.

Область воспламенения силана и температурная зависимость пределов воспламенения определялась в ряде работ [1-3].

Из теории горения известно, что добавки различных веществ могут уменьшать скорость горения вплоть до превращения такой системы в негорючую [4]. Инертные компоненты изменяют пределы взрываемости. При увеличении содержания инертных компонентов уменьшается диапазон горючих составов между верхним и нижним концентрационными пределами.

Цель работы - изучение влияния добавок аргона к системе силан - кислород.

Экспериментальная часть

Исследования проводились на экспериментальной установке, представленной на рис 1, методом ИК-спектроскопии с использованием двухлучевого спектрометра ИКС-14 с призмой LiF и кюветой, в которой осуществлялся процесс смешения реагентов и собственно реакция окисления силана. Дозировку реагентов осуществляли следующим образом. Из баллона 3 в систему напуска подавали силан. Количество его в системе напуска определяли по давлению, которое фиксировалось образцовым вакуумметром 4

Рис. 1. Экспериментальная установка для изучения воспламенения силана: 1 - ИК-спектрометр, 2 - кювета, 3 - баллоны, 4 - образцовый вакууметр, 5 - соленоидный клапан, 6 - регулятор температуры, 7 - вакуумный насос

(1)

где  - число молей силана в системе напуска,  - установившееся давление в системе напуска, V_с.н ^- объем системы напуска, R - универсальная газовая постоянная, T - температура газа в системе напуска.

Из системы напуска силан перепускали в предварительно отвакуумированную кювету. Объем кюветы и подводящих линий V_к определили предварительно.

Давление, установившееся в системе после заполнения кюветы р₁, рассчитывали по формуле

(2)

Приравнивая формулы (1) и (2), получим после преобразований

(3)

Рис. 2. Изменение оптической плотности силана в зависимости от его парциального давления в кювете

Таким образом, методом последовательных перепусканий можно произвести дозировку силана в кювету даже в том случае, если его парциальное давление будет значительно меньше, чем чувствительность образцового вакуумметра. После достижения давления р1 система напуска отсекалась от кюветы, которая откачивалась затем вакуумным насосом. Из системы напуска (теперь с давлением р₁) силан перепускался снова в кювету, и давление в системе р₂ определялось на основании аналогичных преобразований:

(4)

Проведя n перепусканий, получим давление

(5)

Число разбавлений для достижения заданного давления в кювете р_n определялось по формуле

(6)

После ряда последовательных перепусканий и определения давления по формуле (5) построили градуировочный график оптическая плотность - давление, используя который определяли парциальное давление силана в кювете (рис. 2).

Частоты поглощения силана, соответствующие валентному колебанию Si-H. брали ив литературы [5]. В качестве аналитической была выбрана полоса поглощения 2187 см^-1.

Дозировка кислорода с инертным газом осуществлялась аналогичным образом. Затем при помощи соленоидного клапана эта смесь поступала в кювету с дозированным количеством силана (обычно 0,1-1,0 мм.рт.ст.) и по моменту начала убыли оптической плотности силана (а также по звуку взрыва и вспышке) определяли критическую концентрацию. В качестве критической выбиралась концентрация, за пределами которой не наблюдалось мгновенной реакции. Реакция силана с кислородом начинается самопроизвольно без инициирования после смешения.

Обсуждение результатов

На рис. 3 приведена типичная зависимость предельной концентрации моносилана в системе силан - кислород - аргон.

Поскольку у большинства взрывчатых смесей: горючее - окислитель - инертный газ на пределе взрываемости соответственно верхнем или нижнем, величина коэффициента избытка окислителя (α=количество кислорода/количество силана) определяется содержанием инертного компонента (a, %) в смеси, то удобнее выражать полученное соотношение в координатах ln α-a.

Верхний концентрационный предел (избыток силана) определяется нижней кривой, а нижний концентрационный предел (избыток окислителя) - верхней кривой. По мере увеличения содержания аргона в этой тройной смеси обе ветви сближаются друг с другом и смыкаются у середины области взрываемости. Если положение вершин взрывасмости у углеводородов приходится на область ~70% содержания инертного компонента, то для силана положение вершины взрываемости приходится на 97% инертного компонента.

Интервал концентраций, при которых происходит взрыв, очень широк для силана. Таким образом, для предотвращения протекания газофазных процессов образования мелкодисперсной двуокиси кремния в объеме при получении окисных слоев в системе силан - кислород - аргон необходимо использовать сильно разбавленные смеси. (Эта серия экспериментов проводилась при комнатной температуре.)

Полученные данные свидетельствуют, что в системе силан - аргон - кислород добавки инертных компонентов затрудняют горение; это влияние ярко выражено при значительно более низких концентрациях горючего по сравнению с углеводородами.

аргон силан давление воспламенение

ЛИТЕРАТУРА

1. П. С. Шанторович, Ada physicochem. URSS, 2, 633, 1935.

. П. С. Шанторович, Acta physicochem., URSS, 6, 65, 1937.

3. Л. Л. Васильева, В. Н. Дроздов, В сб. Проблемы физической химии поверхности полупроводников, «Наука», Новосибирск, 1978.

5. N. Voshio, J. Appl. Phys., 6, 57, 1967.