Введение к работе
Актуальность работы. В течение последних двух десятилетий неравновесная низкотемпературная плазма электрического разряда (ЭР) атмосферного давления в жидкостях между твердыми электродами, а также в газе между твердым и жидким электродами привлекла особое внимание исследователей ввиду их довольно широких применений, связанных с защитой окружающей среды, медициной, плазмохимией и машиностроением. Это главная причина того, что неравновесная низкотемпературная плазма ЭР с жидкими электродами широко изучалась в последние годы. Однако существенная сложность электрических разрядов с жидкими электродами состоит в том, что полное понимание характеристик и физических процессов происходящих в ЭР с жидкими электродами, остается пока недостигнутым. Основной причиной ограниченного понимания ЭР с жидкими электродами является небольшое число подходящих для диагностики методов.
Наряду с изучением и практическим применением ЭР между твердыми электродами в жидкостях, а также между твердым и жидким электродами, большой интерес представляют электрические разряды между струйным электролитическим и твердым электродами. Практический интерес проявляется в том, что неравновесная низкотемпературная плазма ЭР между твердым электродом и струей жидкости имеет множество новых эффектов, полезных с точки зрения технологических применений.
Из анализа литературных источников следует, что электролитические разряды между струйным электролитическим анодом (СЭА) и твердым катодом практически не изучены. Не установлены основные виды таких электрических разрядов. В настоящее время теория ЭР между твердым электродом и струей жидкости отсутствует и для ее разработки первостепенное значение имеет накопление экспериментальных данных. Не изучен механизм электрического разряда между СЭА и твердым катодом. Не исследовано взаимодействие плазмы ЭР со струйным электролитическим анодом с поверхностями твердых тел. Большой практический интерес представляют различные способы и устройства для получения неравновесной плазмы ЭР со струйным электролитическим анодом. В связи с вышеизложенным экспериментальное исследование ЭР между струйным электролитическим анодом и твердым катодом при атмосферном и пониженном давлениях является актуальной задачей.
Целью данной работы является установление характеристик и изучение физических процессов, протекающих в электрическом разряде между
струйным электролитическим анодом и твердым катодом при атмосферном и пониженном давлениях и создание на их основе разрядных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.
Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:
-
Анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов между твердым и электролитическим электродами, а также практических применений.
-
Разработать и создать разрядную камеру (РК) экспериментальной установки для получения и исследования электрических разрядов между струйным электролитическим анодом и твердым катодом.
-
На базе, созданной экспериментальной установки, проводить экспериментальные исследования ЭР между твердым катодом и СЭА в диапазоне давления Р = 103-105 Па, напряжения разряда U = 200-1500 В, тока разряда I = 2,5-5000 мА, расхода электролита Gс = 1,4-8,3 г/с, скорости струи
= 0,15-0,98 м/с, диаметра струи dc = 2-5 мм и длин струи с торца диэлектрической трубки для подачи струи электролита lc = 2-120 мм из раствора NaCl в технической воде и концентрации электролита от 2% по массе до насыщения раствора. На основе экспериментальных исследований ЭР между твердым катодом (медь М1, алюминий АМЦ40, трансформаторная сталь и оргстекло марки ТОСП) и СЭА изучить развитие объемного разряда (ОР) вдоль и вне струйного электролитического анода, структуры объемного электрического разряда (ОЭР), вольтамперные характеристики (ВАХ) разряда, распределения потенциала и напряженности электрического поля, распределение температуры вдоль СЭА и на поверхности твердого обрабатываемого катода, функции распределения значения плотности вероятности величины тока электрического разряда. -
Разработать и создать методы локальной очистки, упрочнения и получения микропорошков углерода в струе электролитического анода из насыщенного раствора NaCl в технической воде.
Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.
Для изготовления разрядной камеры использованы материалы:
основание и колпак разрядной камеры изготовлены из нержавеющей стали. В колпаке имеется стандартное окно с диаметром 100 мм, закрываемое оптическим стеклом из кварца;
электролитическая ванна изготовлена из оргстекла марки ТОСП;
провод для подвода отрицательного потенциала и устройство для формирование струи электролита изготовлено из меди марки М1.
Для экспериментального исследования были использованы материалы медь марки М1, алюминий АМЦ 40, трансформаторная сталь, оргстекло марки ТОСП.
Для исследования электрического разряда создан измерительный комплекс, состоящий из:
1) статистического вольтметра, амперметра, мультиметра разных классов точности;
2) цифровой видеокамеры «SONY HSC-H9», «ROWER 3.2» и видеокамеры «SONY HDR-SR72E» и скоростной цифровой видеокамеры
Fastec HiSpec;
3) инфракрасный пирометр марки TemPro 300;
4) микроскопа металлографического инвертированного марки «Микромед Мет».
Для определения степени воздействия на поверхность металлического катода электрического разряда СЭА при атмосферном и пониженном давлениях использовались электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-механических свойств и «Склерометр МВ-11» для измерения твердости поверхности катода.
Достоверность научных результатов определяется применением обоснованных методик измерений и сравнением их результатов с данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением приборов высокого класса точности на установке с хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики.
Научная новизна исследований:
впервые установлено формирование объемного электрического разряда постоянного тока вдоль струйного электролитического анода и движение ОЭР вне СЭА под влиянием естественной конвекции воздуха при Р = 105 Па,
U = 500-1500 В, I = 0,5-1,5 А, dc = 2-3,5 мм, lc = 10-20 мм, G = 3-4,5 г/с
( = 0,3-0,5 м/с);
впервые обнаружено образование вертикальных плазменных струй с высотой от 20 до 40 мм при Р = 105 Па, I 0,5 А на границе распространяющегося электролита (анод) на поверхности влажного оргстекла марки ТОСП и медного провода для подвода отрицательного потенциала;
показано образование с контрагированных точек на поверхности медного катода плазменных струй;
установлено, контрагирование конусообразных микроканалов в процессе распространения многоканального разряда (МР) на поверхности влажного оргстекла;
обнаружено, что многоканальный разряд кольцевой формы не горит на поверхности медного катода;
выявлена граница перехода МР струйным электролитическим анодом в аномальный тлеющий разряд с понижением давления Р 1,9104 Па;
обнаружены особенности горения МР для капельного режима струи электролита анода при Р = 105 Па, Gс = 0,5 г/с;
установлен экстремальный характер распределения температуры поверхности СЭА в интервале lc от 30 до 40 мм.
Практическая ценность. Результаты исследования служат для понимания сложных физических процессов, происходящих в электрическом разряде между твердым катодом и СЭА. Разработаны и созданы устройства для получения электрического разряда с струйным электролитическим анодом. Разработаны методики: очистки поверхности твердого катода с СЭА; повышения твердости поверхности катода с СЭА; получения микропорошков в струе электролитического анода из насыщенного раствора NaCl в технической воде.
Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта «Фундаментальные и прикладные исследования физики, кинематики и гидродинамики низкотемпературной плазмы и разработка плазменных технологий» (Гос. контракт № 02.740.11.0569) и в рамках грантов программы ФСРМФП в НТС, ГНО ИВФРТ (Старт 1) № 6784р/9437 и (Старт 2)
№ 9467р/9437 от 01.07.2011, договора целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан» (ИВФРТ), проект № 1/5 от 29.05.2009, а также договор целевого финансирования при поддержке ИВФРТ № 246/н от 14.01.2008.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментального исследования развития объемного электрического разряда различной геометрической формы вдоль и вне струйного электролитического анода при атмосферном давлении.
-
Результаты экспериментального исследования горения МР и образования плазменных струй на границе распространяющегося электролита (анод) на поверхности влажного оргстекла марки ТОСП и металлического катода, а также образование плазменных струй с контрагированных точек на поверхности медного катода.
-
Методика очистки и полировки поверхности медного катода ЭР струйным электролитическим анодом.
-
Методика повышения твердости поверхности катода струйным электролитическим анодом.
-
Методика получения микропорошков углерода в струе электролитического анода из технической воды.
Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на XIII Международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследования свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений», V Кирпичниковские чтения (Казань, 2009 г.); на XVIII Международной Молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2010 г.); на XXXVIII Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011 г.); на
IV Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (Россия, Новосибирск, 2011 г.)); на Всероссийской научно-практической конференции «Качество профессионального образования: проблемы, развитие, перспективы» (Россия, Казань, 2012 г., 2013 г.); на
III Всероссийской молодёжной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочастотные вещества» (Москва, 2012 г.); на VII International Conference, Plasma Physics and Plasma Technology (Minsk, Belarus, 2012);
на XI Международной конференции «Газоразрядная плазма и ее применения» (Томск, Россия, 2013 г.).
Личный вклад автора в работу. Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором создана разрядная камера экспериментальной установки в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнены обработки и анализ экспериментальных результатов. Разработаны методики и выведено уравнение регрессии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ (три статьи в ведущем рецензируемом журнале, рекомендованных ВАК и 9 работ в материалах международных конференций).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунков,
2 таблицы и список литературы из 185 источников отечественных и зарубежных авторов.
