Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время большой интерес представляют электрические разряды (ЭР) в газе между твердым и жидким электродами. Они создают УФ излучение, ударные волны и активные радикалы (ОН, О, пероксид водорода и т.д.), что делает эти разряды особенно пригодными для очистки и стерилизации. Неравновесная низкотемпературная плазма ЭР между твердым и жидким электродами имеет множество других новых эффектов, полезных с точки зрения технологических применений: очистка с одновременной полировкой металлических поверхностей, одностадийное получение мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей.
Наряду с изучением ЭР между твердым и жидким электродами большой интерес представляют разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Анализ литературных данных показал, что электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях практически не изучены. Не установлены особенности физических процессов, характеристики и формы разрядов между струйным электролитическим катодом и твердым анодом. Не исследовано взаимодействие плазмы электрического разряда на границе раздела струйного электролитического катода и твердого анода. Все это сдерживает разработку плазменных установок с использованием струйного электролитического катода и твердого анода при пониженных давлениях и их внедрение в производство. В связи с изложенным, экспериментальное исследование электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях является актуальной задачей.
Целью данной работы является установление характеристик и выявление особенностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.
Задачи исследования:
1. Разработать и создать устройство для получения ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях.
2. На базе созданной экспериментальной установки провести экспериментальные исследования ЭР между струйным электролитическим катодом (растворы хлорида натрия NaCl, гидрокарбоната натрия NaHCO3, хлорида натрия NH4Cl в технической воде) и твердым анодом (медь М1, сталь Х18Н9Т, алюминий АМЦ40, марганец, эбонит) в диапазоне давления от
Р = 1038,9104 Па, напряжения U = 0,11,5 кВ, тока разряда I = 0,012 А, расхода электролита G = 0,84,5 г/с, скорости электролита u = 0,20,5 м/с, диаметра струи электролита dc = 1,54 мм, длины струи электролита lc = 1040 мм для насыщенного и 2% растворов солей в технической воде.
На основе проведенных экспериментальных исследований изучить развитие электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода, развитие ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом, выявить основные формы разряда, вольтамперные характеристики (ВАХ), распределение потенциала и напряженности электрического поля, функции распределения плотности вероятности значения I, колебания тока разряда в широком диапазоне параметров Р, G, u, dc и lc.
3. Разработать методику локальной, одновременной, струйной очистки и полировки поверхности меди М1 и стали Х18Н9Т многоканальным разрядом (МР) и аномальным тлеющим разрядом (АТР) при пониженных давлениях.
4. Разработать методику локального, струйного повышения твердости поверхности алюминиевого и медного анода аномальным тлеющим разрядом (АТР) при пониженных давлениях.
Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.
Для исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в процессе очистки с одновременной полировкой и повышения твердости поверхности при пониженных давлениях создан измерительный комплекс, состоящий из:
-
одиночного зонда для измерения плавающего потенциала на поверхности и внутри струйного электролитического катода;
-
pH – метр;
-
цифровой фотокамеры «Sony DSC-H9», «Rower 3.2» и видеокамеры «Sony HDR-SR72E» и скоростной цифровой видеокамеры Fastec HiSpec, а также из микроскопа типа СП-52 для изучения границы раздела «струйный электролит – плазма» и горение АТР в процессе обработки твердых тел;
-
универсального двухлучевого осциллографа типа GOS-6030;
-
статистического вольтметра, амперметра, мультиметра разного класса точности.
Для определения степени воздействия на поверхность твердого анода АТР и МР струйным электролитическим катодом при пониженных давлениях использовались электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-механических свойств материалов.
Степень достоверности научных результатов определяется применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их результатов с известными опытными и теоретическими 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:
В результате экспериментального исследования установлены развитие электрического пробоя, формы, особенности и характеристики ЭР при
Р = 1038,9104 Па:
развитие электрического пробоя, как со стороны струйного электролитического катода, так и от плоского медного анода;
увеличение величины напряжения пробоя с ростом длины струйного электролитического катода и давления;
влияние характера течения и состояния струи (капельный, расщепленный, кипящий и пористый) на структуры, формы и пульсации тока МР и АТР;
развитие электролитно-плазменной капли;
горение аномального тлеющего разряда в однородных участках и многоканального разряда в расщепленных участках струи при переходе МР в АТР или наоборот;
переход МР в АТР при Р 6,8104 Па;
особенности развития АТР в случае отрыва струйного электролитического катода от поверхности металлического анода;
горение АТР со свечением и без свечения в случае отрыва аномального тлеющего разряда от поверхности металлического анода;
горение АТР между пористым струйным электролитическим катодом и металлическим анодом без катодных и анодных пятен;
значения тока АТР при пониженных давлениях не описываются законом распределения Гаусса из-за большой величины асимметрии;
низкочастотные и высокочастотные пульсации тока разряда;
распределение потенциала и напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического катода;
движение отрицательного тлеющего свечения (ОТС) различной формы вдоль струйного электролитического катода;
переход однородного ОТС вдоль струи в кольцевую форму;
расслоение ВАХ для различных давлений и материалов анода;
влияние концентрации и состава электролита на структуры, формы и характеристики МР и АТР.
Практическая ценность. Результаты исследования служат основой для понимания характеристик и особенностей физических процессов, протекающих в ЭР между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Разработано и создано устройство для получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Разработаны методики локальной, струйной, одновременной очистки и полировки поверхности металлов и сплавов, локального, струйного повышения твердости при пониженных давлениях.
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) и (Старт 2) № 6784р/9437, договор целевого финансирования при поддержке Государственной 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. Гос. контракт № 02.740.11.0569 «Фундаментальные и прикладные исследования физики, кинематики и гидродинамики низкотемпературной плазмы и разработка плазменных технологий», Молодежный инновационный проект «50 лучших идей для РТ» «Новая технология локальной очистки и полировки наружней и внутренней поверхности материалов и изделий после сварки со струйным многоканальным разрядом», 2009 г.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментального исследования особенности развития электрического пробоя между струйным электролитическим катодом и медным анодом в диапазоне давлений 1031,9104 Па, а также характеристик многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях Р 6,8 104 Па.
-
Результаты экспериментального исследования характеристик аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом в диапазоне давлений 1036,8104 Па.
-
Результаты экспериментального исследования особенности аномального тлеющего разряда между капельным катодом и металлическим анодом, а также характеристик АТР между струйным электролитическим катодом и диэлектрическим анодом (эбонит) в диапазоне давлений
1031,9104 Па. -
Методика локальной, одновременной, струйной очистки и полировки поверхности меди М1 и стали Х18Н9Т многоканальным разрядом и аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных давлениях.
-
Методика локального, струйного повышения твердости поверхности аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом (медь М1, алюминий АМЦ40) при пониженных давлениях.
4
Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009 г.); на XXXVII и XXXVIII Международной конференции по физике плазмы УТС (Звенигород, 2010-2011 г.г.); на II Международной научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань, КГТУ, 2010 г.); на 12th International Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing (IWPCTM-12).-Moscow, 2010; на 3rd Chaotic Modeling and Simulation International Conference, Chania Crete Greece, 2010; на International Conference-School on Plasma Physics and Controlled Fusion and 4-th Alushta International Workshop on the Role of Electric Fields in Plasma Confinement in Stellarators and Tokamaks Alushta (Crimea), Ukraine, September 13-18, 2010.
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 17 печатных работ
(3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК,
11 работ в материалах конференций и 3 препринта).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков,
5 таблиц и список литературы из 113 источников отечественных и зарубежных авторов.
