Введение к работе
Актуальность исследования. На современном этапе развития химии значительный интерес представляют процессы, проходящие в растворах электролитов на границе раздела фаз при воздействии импульсами напряжения и тока. К настоящему моменту на промышленный уровень выходит технология нанесения защитных керамических покрытий на детали различных машин и аппаратов в микроплазменном режиме. Данный тип процессов существенно расширяет возможности воздействия на материалы энергетическими потоками высокой плотности с целью модификации их свойств и синтеза новых материалов. Такие системы, находящиеся одновременно под воздействием внешних полей с высокой напряженностью, в условиях экстремально высоких температур и давлений, представляют значительный интерес для физической химии неравновесных явлений.
Несмотря на проведенные ранее исследования механизма процессов в микроплазменных электрохимических системах, существующих теоретических представлений и физико-химических моделей недостаточно для описания характера локализации энергии на начальных стадиях протекания тока. Необходимо проведение дополнительных теоретических исследований и разработка физико-химических моделей для этих сложных быстротекущих неравновесных и многостадийных процессов.
Проведение фундаментальных исследований в данном направлении, развитие физико-химических моделей и методов измерения позволят заложить теоретические основы импульсных высокоэнергетических процессов и способов управления ими, что открывает возможность создания принципиально новых технологий. При этом актуализируется задача экспрессного управления микроплазменным процессом и создания новых подходов к регистрации электрических параметров для получения вольтамперных зависимостей импульсных сильнотоковых процессов. Данные зависимости позволяют контролировать скорость химических процессов на границе раздела фаз и энергию, при которой они осуществляются.
Разработка физико-химических основ в сочетании с усовершенствованием методов измерений позволит создать принципиально новый класс методов идентификации и определения показателей качества материалов, а именно металлов и сплавов и биологических тканей.
Данная работа является продолжением серии работ по выявлению закономерностей протекания нестационарных физических и химических процессов на электродах и восполняет пробелы в теоретическом описании перечисленных выше сложных процессов.
Цель работы заключается в установлении закономерностей поведения физико-химических систем в условиях локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз различной природы при импульсном пропускании электрического тока, а также в выявлении влияния природы материалов на протекающие процессы.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Разработать нестационарную математическую модель для начальных стадий физико-химических процессов, происходящих на границе раздела металл - раствор электролита при высоковольтной поляризации и высоких скоростях изменения потенциала, описывающую процесс локализации энергии в приэлектродном слое;
-
Определить характер зависимости скорости электрохимических реакций от энергии и выявить параметры, управляющие величиной энергии, локализуемой в приэлектродном слое, для нестационарных импульсных процессов;
-
Выбрать метод осуществления высоковольтной поляризации границы раздела металл - раствор электролита и регистрации электрических параметров на начальной стадии пропускания тока;
-
Исследовать закономерности изменения электрических параметров электрохимических систем на начальных стадиях пропускания тока для различных металлов и сплавов в зависимости от скорости нарастания напряжения;
-
Исследовать возможность создания метода анализа биологических тканей на основе электрических характеристик, регистрируемых при импульсном электровоздействии.
Научная новизна работы. Разработана математическая модель, описывающая распределение энергетических потоков на начальной стадии прохождения электрического тока через границу раздела фаз (металл - раствор электролита), в которой впервые выявлены следующие закономерности:
-
электропроводность раствора электролита в приэлектродном слое размером меньше микрона резко уменьшается, причем чем меньше это расстояние от поверхности электрода, тем меньше электропроводность;
-
плотность энергии при прохождении электрического тока через границу раздела фаз имеет распределение в зависимости от расстояния от границы раздела и длительности пропускания тока. Максимальная величина плотности энергии достигается в слое, находящемся непосредственно у физической границы;
-
скорость локализации энергии вблизи границы раздела имеет закономерное распределение, причем максимум находится на границе раздела и максимум тем выше, чем меньше значение длительности импульса;
-
распределение тока в зависимости от величины локализуемой энергии и времени электровоздействия имеет две характерные области. Первая область, расположенная ближе к поверхности электрода, способна локализовать энергию в значительно большей степени, чем область, находящаяся на некотором удалении от электрода.
Впервые показано, что длительность импульса наряду с величиной напряжения, плотностью тока, температурой и концентрацией является параметром, управляющим локализацией энергии в приэлектродном слое.
Впервые получены вольтамперные зависимости для широкого ряда металлических материалов в зависимости от скорости изменения потенциала в диапазоне от 105 до 1010 В/с в условиях воздействия импульсами напряжения с амплитудой от 100 до 700 В. Показано, что вольтамперограммы для начальной стадии пропускания тока не зависят от природы металлов и сплавов.
Впервые показано, что вольтамперные зависимости в условиях воздействия импульсами напряжения с амплитудой от 100 до 700 В при скорости изменения потенциала в диапазоне от 105 до 1010 В/с зависят от природы растворителей.
Показано, что характер вольтамперной зависимости изменяется в случае присутствия оксидного слоя на поверхности электрода, при этом скорость изменения потенциала влияет на вид вольтамперной зависимости и природу проходящих на границе раздела фаз процессов.
Впервые разработан метод определения электрических характеристик биологических тканей при импульсном электровоздействии. Показано, что форма и динамика изменений вольтамперных и хроноамперометрических зависимостей находятся в строгом соответствии с видом биологической ткани и ее свойствами.
Практическая значимость работы. Практическая ценность работы заключается в разработке нового способа определения электрических характеристик биообъектов. Показана принципиальная возможность идентификации и определения показателей качества биологических тканей на основе электрических характеристик, регистрируемых при импульсном электровоздействии. Усовершенствован способ идентификации металлов и сплавов. Разработано и создано оборудование для осуществления данных способов.
Полученные в работе данные о характере процессов на начальных стадиях пропускания тока уже нашли свое применение в промышленности при решении задачи интенсификации процессов нанесения наноструктурных неметаллических неорганических покрытий методом микроплазменного оксидирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Характер распределения плотности энергии и скорости её локализации в зависимости от времени пропускания тока и расстояния от границы раздела фаз. Роль длительности токового импульса как фактора управления локализацией энергии наряду с величиной напряжения, плотностью тока, температурой и концентрацией.
-
Вольтамперные и хроноамперометрические характеристики микроплазменных систем и метод их получения в зависимости от скорости нарастания поляризующего напряжения в диапазоне от 105 до 1010 В/с при величине амплитуды от 100 до 700 В.
-
Отсутствие зависимости вольтамперограмм, полученных на начальной стадии пропускания тока, от природы металлического материала при скорости изменения потенциала в диапазоне от 105 до 1010 В/с в условиях воздействия импульсами напряжения с амплитудой от 100 до 700 В.
-
Физико-химические основы усовершенствованного способа идентификации металлов и сплавов и способа определения электрических характеристик биологических тканей.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на V Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2009); VI и VII Международных конференциях студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2009, 2010); XI Всероссийской конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в ХХ! веке» (Томск, 2010); в рамках X Всероссийской школы-семинара с международным участием «Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2010» (Томск, 2010); Международном симпозиуме «Теория и практика электроаналитической химии» (Томск, 2010); II Международной научно- практической конференции молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» (Томск, 2010); I-ой Международной Российско- Казахстанской конференции по химии и химической технологии (Томск, 2011); IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2011); XIII Международной научно- практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» (Санкт-Петербург, 2012), IX научной конференции «Аналитика Сибири и Дальнего Востока», (Красноярск, 2012).
Разработанный с участием автора метод измерения и измерительное оборудование для технологических линий МДО отмечены дипломом и медалью VIII международной специализированной выставки «Лаборатория Экспо - 2010» (Москва, 2010); удостоены диплома I степени с вручением Золотой медали на XVII международной выставке-конгрессе Hi-Tech'2011 «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (Санкт-Петербург, 2011).
Работа поддержана следующими госконтрактами: №7149р/9963 от 30.07.2009 г., договор №645 от 15.03.2010 г. между ГК «Роснанотех» и ГОУ ВПО «ТГУ», №2148 от 05.07.2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, из них 3 статьи в журнале «Известия вузов. Физика», 2 заявки на патенты России (по заявке №2012102962 получено положительное решение о выдаче), 12 статей в сборниках научных трудов и статей международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка цитируемой литературы (145 наименований). Диссертация изложена на 185 страницах, содержит 89 рисунков и 7 таблиц.
Похожие диссертации на Закономерности локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз различной природы при импульсном электровоздействии в растворах
-
