Experimental determination of the features of propagation the second kind combustion waves in condensed matter using the example of Ti–C2H2O4

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

For the first time, an experimental study was conducted on the propagation features of 2nd kind combustion waves using the Ti-C2H2O4 system as an example. SH-synthesis temperatures, velocities, thermal effects, combustion limits, phase and chemical composition of products are determined. The temperature and depth of transformations at the combustion surface were calculated based on the obtained data. It was discovered that a mixture of titanium and oxalic acid can combust over a wide range of component concentrations: from 2 to 19 moles of titanium per mole of acid. Two modes of combustion waves of the 2nd kind have been identified: with a titanium content of 2 to 4 mol per mole of oxalic acid - discrete layer-by-layer, and with a titanium content >4 mol – frontal. In the entire series of experiments carried out with single-phase products, the corresponding composition of the initial mixtures was only 5Ti + C2H2O4 and 6Ti + C2H2O4. The absence of titanium oxalates of the type TiC2O4 and Ti2(C2O4)3 in the products was shown. The possibility of carrying out the SH-synthesis under conditions where the rates, combustion temperatures and thermal effects of the reaction are not symbatic in their concentration dependence has been experimentally confirmed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. G. Tarasov

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: aleksei_tarasov@mail.ru
Russian Federation, Chernogolovka

I. A. Studenikin

Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: aleksei_tarasov@mail.ru
Russian Federation, Chernogolovka

References

  1. A.S. Rogachev, A.S. Mukasyan. Combustion for Material Synthesis, Boca Raton. CRC Press. (2014). https://doi.org/10.1201/b17842
  2. A.G. Merzhanov, B.I. Khaikin. Prog. Energy Combust. Sci. 14 (1988). https://doi.org/10.1016/0360-1285(88)90006-8
  3. A.G. Merzhanov, A.S. Rogachev. Pure and Appl. Chem. 64, 7. (1992).
  4. V.G. Prokof’ev, T.I Khudyakova. J. Phys. Conf. Ser. 1115, 4 (2018). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1115/4/042032
  5. A.S. Rogachev, S.G. Vadchenko, A.S. Mukasyan. Adv. in Sci. and Technol. 88 (2014). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ast.88.85
  6. B.S. Seplyarskii, R.A. Kochetkov, T.G. Lisina et al. Russ. J. Phys. Chem. B. 17, 5 (2023). https://doi.org/10.1134/S199079312305010X.
  7. X. Zuwei, Z. Haibo, W. Yijie et al. Combust. and Flame. 162, 8 (2015). https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2015.05.006
  8. P.M. Krishenik, S.V. Kostin, S.A. Rogachev. Russ. J. Phys. Chem. B. 17, 5 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123050044
  9. A.A. Belyaev, B.S. Ermolaev. Russ. J. Phys. Chem. B. 17, 4 (2023). https://doi.org/10.1134/S199079312304022X
  10. N.A. Kochetov, B.S. Seplyarsky. Russ. J. Phys. Chem. B. 17, 2 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123020082
  11. A.G. Merzhanov. Combust. and Flame. 13, 2 (1969). https://doi.org/10.1016/0010-2180(69)90045-5
  12. A.G. Merzhanov. Dokl. Akad. Nauk SSSR. 233, 6 (1977).
  13. V.G. Ivanov, S.N. Leonov, O.V. Gavrilyuk et al. Combust Explos Shock Waves, 30, (1994). https://doi.org/10.1007/BF00755826
  14. A.G. Tarasov, I.A. Studenikin. Intern. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 31, 3 (2022). https://doi.org/10.3103/S1061386222030086
  15. E.G. Klimchuk, A.G. Tarasov. Combust. Flame. 191 (2018). https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.02.017p
  16. A.G. Tarasov, E.G. Klimchuk. Proc. Intern. sci. conf. Modern chemical physics at the intersection of physics, chemistry, and biology, Chernogolovka, Russia: FRC PCP MC RAS (2021).
  17. A.G. Merzhanov. Solid state combustion, Chernogolovka: ISMAN, (2000).
  18. V.M. Maslov, I.P Borovinskaya, A.G. Merzhanov. Combust Explos Shock Waves, 12, 5 (1976). https://doi.org/10.1007/bf00743167
  19. E.G Klimchuk, G.M. Avetisyan, V.T. Minasyan et al. Izv. AN. Him. 12, (1999).
  20. A.S. Mukasyan, C.E. Shuck. Intern. J. Self-Propag. High-Temp. 26, (2017). https://doi.org/10.3103/S1061386217030049
  21. C.E. Shuck, A.S. Mukasyan. Kinetics of Heterogeneous Self-Propagating High-Temperature Reactions. London: Advanced Chemical Kinetics, (2017). https://doi.org/10.5772/intechopen.70560
  22. A.G. Merzhanov, M.M. Kitain, U.I. Gol’shleger et al. Dokl. AN SSSR. 237, 2 (1977).
  23. A.K Filonenko, V.A. Bunin, V.I. Vershinnikov. Khim. fizika. 11, 2 (1992).
  24. M.A. Ponomarev, V.A. Shherbakov, A.S. Shtejnberg. Dokl. AN SSSR. 340, 5 (1995).
  25. B.S. Seplyarskii, S.G. Vadchenko. Dokl. Phys. Chem. 398, 203 (2004). https://doi.org/10.1023/B:DOPC.0000041487.87644.26
  26. S.I. Aljamovskij, Ju.G. Zajnulin, G.P. Shvejkin. Oksikarbidy i oksinitridy metallov IVA i VA podgrupp. Moskva: Nauka (1981).
  27. Je.I. Perov, V.A. Novozhenov. Zhurn. Himija rastitel’nogo syr’ja. 1, 1997.
  28. D. Miller, A. Abul, H. Delpouve et al. J. Mater. Chem. A. (2016). https://doi.org/10.1039/C6TA00042H
  29. J.M. Chappe., A.C. Fernandes, C. Moura et al. Surf.Coat.Tech. 206, (2012). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.11.005
  30. K. Huang, Y. Li, Y. Xing. J. Mater. Res. 28, 454 (2013). https://doi.org/10.1557/jmr.2012.353
  31. M.W. Jr. Chase. NIST–JANAF thermochemical tables. J. Phys. Chem. Ref. Data. (1998).
  32. R.C. Wilhoit and D. Shiao, J. Chem. Eng. Data. 9, 4 (1964). https://doi.org/10.1021/je60023a038
  33. K.B. Kalmykov, N.E. Dmitrieva. Skanirujushhaja jelektronnaja mikroskopija i rentgeno-spektral’nyj analiz neorganicheskih materialov. Moskva: MGU. (2017).
  34. J.I. Goldstein, E. Dale et al. Microscopy and Microanalysis. 24, 6 (2018). https://doi.org/10.1017/S1431927618015271
  35. L.B. Mashkinov. Zavodskaja laboratorija. Diagnostika materialov. 80, 9 (2014).
  36. L.B. Mashkinov. Researchgate. (2015) https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2316.4001
  37. K.G. Shkadinskij, B.I. Hajkin, A.G. Merzhanov. FGV. 1, 19 (1971).
  38. D.V. Korolev, K.A. Suvorov, S.G. Shalin. Poluchenie i obrabotka temperaturnogo profilya volny goreniya. SPb.: SPbGTI(TU). (2004).
  39. G.P. Luchinskij. Himija titana. Moskva: Himija. (1971).
  40. E.S. Domalski, E.D. Hearing. J. Phys. Chem. Ref. Data. 3, (1996). https://doi.org/10.1063/1.555985

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Photographs of the combustion processes of the mixture in different modes: a – discrete layer-by-layer mode I. Mixture 2Ti + C2H2O4; b – frontal mode II, mixture 6Ti + C2H2O4.

Download (433KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of the combustion rate U on the ratio of the mole fractions of the initial reagents α = [Ti]/[C2H2O4]. The arrow indicates the maximum value of the parameter.

Download (27KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temperature T versus time τ for different ratios of mole fractions of the initial reagents [Ti]/[C2H2O4]. Curves 1–6 correspond to the titanium content in the initial mixture equal to 3, 6, 9, 12, 15, and 18 mol, respectively. The arrow indicates the maximum value of the parameter. The squares indicate the regions where the combustion surface of the thermocouples (Ts) reaches.

Download (54KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the chemical composition of products (C) on the ratio of mole fractions of the initial reagents α = [Ti]/[C2H2O4].

Download (30KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the phase content in the reaction products (I/Imax) on the ratio of the mole fractions of the initial reagents α = [Ti]/[C2H2O4]. In the figure, the arrow marks the maximum value of the parameter. Squares indicate the relative intensity of the characteristic peaks of the cubic syngony – [plane 200]; triangle – hexagonal, [101]; rhombus – rhombohedral, [104]; circles – tetragonal, [101].

Download (41KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. SEM images of a sample obtained from the combustion products of a 5Ti + C2H2O4 mixture are shown: a – secondary electron detector (SE, InLens); b – backscattered (reflected) electron detector (AsB).

Download (262KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the heat of combustion Qс on the ratio of the molar fractions of the initial reagents α = [Ti]/[C2H2O4]. The arrow indicates the maximum value of the parameter.

Download (23KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependence of the completeness of conversion on the combustion surface (ηs) on the ratio of the molar fractions of the initial reagents α = [Ti]/[C2H2O4]. The dashed lines indicate the values ​​of ηs at Ts≡T, the beginning and end of the temperature range of the phase transition.

Download (25KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».