Введение к работе
Актуальность темы. Низкотемпературная плазма является универсальным инструментом для обработки поверхности, нанесения покрытий с заданными свойствами на детали различной формы.
Методы нанесения полимерно-порошковых покрытий на поверхность весьма разнообразны. В основу их классификации могут быть положены разные признаки: конструктивные формы применяемого оборудования; физическое состояние осаждаемого материала; принцип осаждения и удержания порошка на твердой поверхности. Наибольшее признание получили следующие способы нанесения порошковых материалов на поверхность: в кипящем слое, в электростатическом поле, струйное напыление и ряд других.
В настоящее время наблюдается возрастающий интерес к коронному разряду и его применению для получения полимерно-порошковых покрытий с заданными свойствами. Принципиально новым применением подобных покрытий становится использование их в медицинской промышленности, а именно в качестве защитных покрытий сложных медицинских аппаратов.
Подробным изучением поведения порошковых частиц в газодинамическом потоке занимаются такие ученые, как B. Jodoin, P. Richer, S.Gu, D.G. McCartney, C.N. Eastwick, Верещагин И.П., Яковлев А.Д. Однако поведение полимерно-порошковых частиц в поле коронного разряда в процессе нанесения функциональных покрытий до сих пор не рассматривалось.
Существенно сократить объем экспериментов для выявления оптимальных параметров коронного разряда, при которых возможно получение равномерных по толщине полимерно-порошковых покрытий позволяет исследование многофазного потока плазмы коронного разряда в процессах нанесения покрытий и разработка на основе полученных экспериментальных данных физико-математической модели низкотемпературной плазмы, связывающей электрические и динамические параметры разряда с физико-механическими свойствами получаемых покрытий. Для этого необходимо изучение дисперсного состава полимерно-порошковой краски, скоростей движения частиц в поле коронного разряда, вольт-амперных характеристик, и распределение потенциала плазмы.
Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование многофазного потока плазмы коронного разряда в процессе нанесения полимерно-порошковых покрытий и разработка технологии получения покрытий с заданными функциональными свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Экспериментально исследовать характеристики многофазного потока плазмы коронного разряда, движение полимерных микрочастиц в электростатическом поле в процессах нанесения полимерно-порошковых покрытий.
2. Экспериментально исследовать характеристики многофазного потока плазмы коронного разряда, движение полимерных микрочастиц в электростатическом поле в процессах нанесения полимерно-порошковых покрытий.
3. Разработать физико-математическую модель движения микрочастиц в электростатическом поле в процессах нанесения покрытий с заданными свойствами.
4. Экспериментально и теоретически исследовать процесс осаждения частиц полимерно-порошковой краски на подложку.
5. Экспериментально исследовать зависимость свойств полученных покрытий от параметров коронного разряда, газодинамического потока и размера напыляемых частиц.
6. Разработать технологический процесс нанесения покрытий с заданными свойствами для восстановления медицинских УЗИ-датчиков.
Объект и методы исследования. Основным объектом исследования является многофазный поток плазмы коронного разряда.
При исследовании параметров коронного разряда проводились измерения пространственного распределения плавающего потенциала электрического поля, вольт-амперной характеристики коронного разряда при изменении скорости потока, расстояния до подложки, вида и размеров напыляемых частиц.
Для исследования характеристик наносимого порошка использовалась специально разработанная методика измерения его дисперсного состава.
Полученные функциональные покрытия испытывались на равномерность по толщине, прочность, адгезию, износостойкость; дополнительно проведены исследования пропускания ультразвука.
Научная новизна
1. Исследованы характеристики многофазного потока плазмы коронного разряда в процессах нанесения покрытий;
2. Разработана методика определения дисперсного состава частиц наносимого порошка;
3. Впервые определен размер частиц полимерно-порошковой краси, эффективно участвующих в процессе напыления;
4. Разработана физико-математическая модель движения микрочастиц в поле коронного разряда.
5. Установлена закономерность влияния параметров многофазного потока плазмы коронного разряда на характеристики получаемых покрытий;
6. Получены защитные покрытия, равномерные по толщине, соответствующей рабочим частотам медицинских УЗИ-датчиков.
Практическая ценность
Разработана технология нанесения равномерных по толщине защитных полимерно-порошковых покрытий пьезоэлементов медицинских УЗИ-датчиков с заданными свойствами. Создан ультразвуковой сканирующий преобразователь для медицинских диагностических приборов (патент на изобретение № 2436257 от 10.12.2011).
Внедрена в промышленность методика микроскопического исследования дисперсного состава полимерно-порошковой краски.
Работа выполнялась по грантам: Комитет по развитию малого и среднего предпринимательства Республики Татарстан по теме «Восстановление защитного слоя, нанесенного на пьезоэлемент УЗИ-датчиков» (2008 г.); Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «СТАРТ-1» по теме «Ремонт, восстановление и модернизация медицинских УЗИ-датчиков» (2010 г.), грант на получение целевых субсидий субъектам малого и среднего предпринимательства Республики Татарстан для развития инноваций и технологической модернизации производства на территории Республики Татарстан по теме «Ремонт, восстановление и модернизация медицинской техники (в том числе УЗИ» (2010 г.). Проект «Восстановление защитного слоя медицинских УЗИ-датчиков методом электростатического напыления» был отмечен стипендией ОАО «Связьинвестнефтехим» в рамках конкурса Инвестиционно-венчурного Фонда «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан» Номинация «Старт инноваций» (2010 г.).
Научная и практическая значимость работы подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы. Годовая экономическая эффективность составила 12 944 455 рублей.
На защиту выносятся
1. Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик многофазного потока плазмы коронного разряда;
2. Методика определения дисперсного состава частиц наносимого полимера;
3. Результаты определения размеров частиц полимерно-порошковой краски, эффективно участвующих в процессе нанесения покрытий;
4. Физико-математическая модель движения микрочастиц в электростатическом поле;
5. Установленные закономерности влияния параметров коронного разряда на характеристики получаемых покрытий;
6. Разработанная технология нанесения защитных полимерно-порошковых покрытий на пьезоэлемент УЗИ-датчика.
Степень достоверности и обоснованности научных результатов подтверждается следующим: исследования проведены с применением аттестованных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно работающем оборудовании с хорошей повторяемостью результатов; использованы физически обоснованные методики измерений; расчет погрешностей измерений выполнен с применением методов математической статистики и результаты экспериментов сопоставлены с известными опытными и теоретическими данными. Полученные экспериментальным путем данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Третьей Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» Казань, 2007; Научной сессии КГТУ Казань, 2008, 2009, 2010, 212 гг.; Итоговой научной сессии КФУ, 2011 г.; Конкурс студентов вузов по напрвлениям: лазерные и плазменные технологии, квантовая и атомная оптика, нанофотоника Набережные Челны, 2009; Республиканской научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» Казань, 2009, 2010, 2011 гг.; Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС Звенигород, 2010, 2012 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 – статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение, 1 статья в международном журнале.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в постановке задач, получении, обработке и обобщении полученных экспериментальных данных, в подготовке материала к публикации.
Автор выражает благодарность за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов Кашапову Р.Н.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 129 страниц, состоит из введения, 4-х глав, содержащих 51 рисунка и 19 таблиц, выводов, библиографического списка из 135 наименований.
