Введение к работе
Актуальность работы. В неравновесной низкотемпературной плазме электрического разряда (ЭР) между твердым и жидким электродами обнаружено множество новых эффектов, полезных с точки зрения практических применений: очистка и полировка твердых металлических поверхностей; одностадийное получение мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей при атмосферном давлении; синтез органических соединений в растворах электролитов, очистка воды и стерилизация растворов и изделий. Одним из новых методов получения неравновесной низкотемпературной плазмы при атмосферном и пониженных давлениях является использование ЭР, возникающего между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом. Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом являются полезными не только с точки зрения практических применений, но представляют большой интерес для изучения различных физических явлений. Несмотря на все указанные достоинства, характеристики и физические процессы электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях практически не изучены. Не установлены основные формы электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом. Не исследовано взаимодействие плазмы ЭР на границе раздела двух струй. Все это задерживает разработку плазменных установок между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях и их внедрение в производство. В связи с выше изложенным экспериментальное исследование ЭР между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях является актуальной задачей.
Целью данной работы является установление характеристик и закономерностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.
Задачи исследования:
-
Разработать и создать устройство для получения многоканального разряда (MP) и аномального тлеющего разряда (АТР) между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях.
-
На базе созданной экспериментальной установки провести экспериментальные исследования электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом в диапазоне давления Р = 103-н 105 Па, напряжения U— 200-Т-1500 В, тока
щ
разряда / = 0,005+1,5 А, длины струйного катода /ci = 5+50 мм, длины струйного анода /с2 = 5+50 мм, расхода электролита G(Ci),G(C2) = 1,0+8,3 г/с, диаметров струйных электролитов d^,d(C2) = 1,5+2,5 мм, расстояния между параллельными струями h„ = 1+2 мм, скорости и = 0,2+0,98 м/с для растворов NaCl различной концентрации (20% и насыщенный) в технической воде. На основе проведенных экспериментальных исследований ЭР между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом для различных углов течения а = 0+180 выявить основные формы ЭР, изучить структуры разряда, вольтамперные характеристики (ВАХ) при атмосферном и пониженных давлениях, распределение температуры вдоль струйного электролитического катода и струйного электролитического анода при атмосферном давлении, функции распределения плотности вероятности значения /, пульсации величины тока разряда в широком диапазоне параметров I,G,dcalc.
-
Разработать методику очистки поверхности меди Ml, латуни, стали, алюминия АД, титановых сплавов различных марок до сварки с использованием ЭР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.
-
Разработать методику повышения класса шероховатости поверхности текстолитовой подложки с использованием ЭР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.
-
Разработать методику модификации нити углеволокна с использованием электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.
-
Составить уравнение регрессии для нахождения режимов повышения шероховатости поверхности текстолитовой подложки.
Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований:
-
цифровые фотокамеры «Sony DSC-H9», «Rower 3.2» и видеокамера «Sony HDR-SR 72Е» и скоростная видеокамера «Fastec HiSpec»;
-
универсальный двухлучевой осциллограф типа G09-6030;
-
измеритель температуры CENTER-350;
-
одиночный зонд для измерения плавающего потенциала <р в точках пересечения двух струй;
-
статистический вольтметр, амперметр, мультиметры разного класса точности.
Для определения степени воздействия на поверхность твердых материалов ЭР струйными электролитическими электродами использованы электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-механических свойств.
Степень достоверности научных результатов определялась применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их
результатов с известными опытными данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики. Научная новизна исследований:
1. В результате экспериментального исследования установлены
особенности, формы и характеристики ЭР при атмосферном давлении:
горение и характеристики многоканального разряда (MP) между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом для различных углов течения струй;
горение и характеристики MP между капельным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом;
особенности горения MP между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом, расположенными параллельно;
влияние неоднородности течения и смешивание струйного электролитического катода и струйного электролитического анода на формы и характеристики MP;
образование стоячих капиллярных волн в результате наложения двух встречных струй разной полярности;
значение тока MP между сходящимися (а = 65) струями не описываются законом распределения Гаусса из-за большой величины асимметрии;
пульсации тока MP в случае двух параллельных струй;
распределение температуры на поверхности вдоль струйного электролитического катода и струйного электролитического анода;
снижение напряженности электрического поля в точках пересечения двух струй;
стабилизация напряжения с ростом величины тока от 2 до 12 мА для двух струй в противоположных направлениях при а = 120.
2. В результате экспериментального исследования установлены формы и
особенности ЭР между струйным электролитическим катодом и струйным
электролитическим анодом в диапазоне давления от 10 до 7,5-10 Па:
переход многоканального разряда в аномальный тлеющий разряд (АТР) в диапазоне Р < 7,5-104 Па;
особенности горения и характеристики АТР при пониженных давлениях.
Практическая ценность. Разработаны и созданы устройства для получения ЭР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях. Разработаны методики: повышения класса шероховатости на поверхности текстолитовой подложки, модификации поверхности нити углеволокна, локальной очистки поверхности материалов и изделий до сварки, составлено
уравнение регрессии для нахождения режимов повышения класса шероховатости на поверхности текстолитовой подложки для нанесения покрытий.
Работа выполнена при поддержке РФФИ № 04-02-97501 в рамках проекта «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» и в рамках грантов программы ФСРМФП в НТС, ГНО ИВФРТ (Старт 1) № 6784р/9437, договор целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», проект №1/5, а также договор целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», № 246/Н.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментального исследования характеристик многоканального разряда между капельным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.
-
Результаты экспериментального исследования характеристик многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.
-
Результаты экспериментального исследования характеристик АТР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при пониженных давлениях.
-
Методики локальной очистки поверхности материалов и изделий до сварки, повышения класса шероховатости поверхности текстолитовой подложки.
-
Методика модификации поверхности нити углеволокна между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом.
Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на 9, 10 Международных научно-практических конференциях «Исследование разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010); на XXXVII Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2010 г.); на Международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» (Казань, 2011 г.); на II Международной научно-технической конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2010 г.); на II Международной научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань, КГТУ, 2010 г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009, 2010 гг.).
Личный вклад автора в работу является определяющим. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнена обработка и анализ экспериментальных результатов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ (3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и 11 работ в материалах конференций).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, приложения. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 115 источников отечественных и зарубежных авторов.
