Введение к работе
Актуальность работы. Электрические разряды в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо. Наряду с изучением разрядов в газе между твердыми электродами большой интерес представляют разряды с электролитическими электродами. В последние годы наметились новые перспективные направления применения электрического разряда между электролитическим и твердым электродами в машиностроении и плазмохимии. В связи с этим большое внимание уделено исследованию и применению электрических разрядов между твердым и жидкими электродами. Одним из новых методов получения неравновесной низкотемпературной плазмы при атмосферном и пониженном давлениях является использование электролитического разряда, возникающего между струйным электролитическим анодом и пористым катодом (ПРК). Неравновесная низкотемпературная плазма электрического разряда с электролитическими электродами имеет множество эффектов, полезных с точки зрения технологических 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. Изучение электрических разрядов с использованием в качестве электрода пористых материалов имеет важное практическое значение. Анализ литературных данных показал, что электрические разряды между струйным электролитическим анодом и (ПРК) при атмосферном и пониженном давлениях практически не изучены. Не установлены характеристики и формы разрядов между струйным электролитическим анодом и пористым катодом. Не исследовано взаимодействие плазмы электрического разряда на границе раздела струи и пористого материала. Все это задерживает разработку плазменных установок между струйным электролитическим анодом и пористым катодом при атмосферном и пониженных давлениях и их внедрение в производство. В связи с изложенным экспериментальное исследование электрического разряда между струйным электролитическим анодом и пористым катодом при атмосферном и пониженном давлениях является актуальной задачей.
Целью данной работы является установление характеристик и выявление особенности физических процессов протекающих в электрическом разряде между струйным электролитическим анодом и пористым катодом при атмосферном и пониженных давлениях и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.
Задачи исследования:
-
На базе созданной экспериментальной установки проводить экспериментальные исследования электрического разряда между струйным электролитическим анодом и ПРК в диапазоне давления Р = 105103 Па, напряжения U = 0.11.2 кВ, тока разряда I = 0.011 A, расхода электролита G = 0.58 г/с, диаметра струи электролита dc = 13 мм, диаметра пор dп =0.55 мм, скорости струи = 0,150,95 м/с и длины струи электролита lc = 1130 мм для насыщенного раствора NaCl в технической воде.
На основе проведенных экспериментальных исследований электрического разряда между струйным электролитическим анодом и ПРК выявить основные формы электрического разряда. Изучить структуры разряда, вольтамперные характеристики (ВАХ), распределение температуры вдоль струйного электролитического анода при атмосферном давлении, функции распределения U и I в широком диапазоне параметров G, dc и lc.
2. Разработать и создать устройства для получения электрического разряда между струйным, электролитическим анодом и пористым катодом.
3. Разработать методику упрочнения электрическим разрядом между струйным анодом и медным катодом.
4. Разработать методику очистки поверхности металлов и сплавов многоканальным разрядом.
5. Разработать методику очистки поверхности металлов и сплавов тлеющим разрядом.
Научная новизна исследований:
-
-
В результате экспериментального исследования установлены формы и особенности электрического разряда при Р =105 Па:
- многоканальной формы на поверхности и внутри пористого материала;
- переход многоканального разряда в объемный внутри пористого материала при U =1014 В, lс=40 мм, dc=3 мм, G=5 г/с, = 0,59 м/с:
- горение многоканального разряда вдоль границы между порами;
- горение МР в виде конусообразных каналов между отдельными порами;
- влияние степени пористости катода на особенности горения МР;
- развитие пробоя между металлическими поверхностями при малых толщинах пористого материала;
- значения напряжения и тока электрического разряда с ПРК не имеют нормальную функцию распределения вероятности.
2. В результате экспериментального исследования установлены формы и особенности электрического разряда при 103Р104 Па, = 0,150,95 м/с:
- образование плазменного вихря внутри пористого материала;
- распространение анодного свечения (АС) тлеющего разряда вдоль струи при пониженном давлении.
- переход многоканального разряда в тлеющий разряд в диапазоне давления от 3,9104 до 1,9104 Па;
Практическая ценность. Результаты исследования служат основой для понимания физических процессов, происходящих в электрическом разряде между струйным электролитическим анодом и пористым катодом. Разработаны и созданы устройства для получения электрического разряда между струйным электролитическим анодом и ПРК при атмосферном и пониженных давлениях. Разработаны методики упрочнения, процесса очистки и полировки поверхности металлов и сплавов между струйным электролитическим анодом и пористым катодом при атмосферном и пониженном 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 ФСР МП НТС (Старт 1) №6784 р/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 струйным электролитическим анодом и пористым катодом при атмосферном и пониженном давлении.
-
Результаты экспериментального исследования характеристик тлеющего разряда между струйным электролитическим анодом и пористым катодом при пониженных давлениях.
-
Методика упрочнения поверхности металлов и сплавов с ТР, между струйным электролитическим анодом и пористым катодом.
-
Методика очистки поверхности металлов и сплавов МР между струйным электролитическим анодом и пористым катодом.
-
Методика процесса очистки металлов и сплавов ТР между струйным электролитическим анодом и пористым катодом.
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.
Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на Chaotic Modeling and Simulation International Conference. June 1-4, 2010. Chania Crete Greece. На VI международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», (Томск, Томский политехнический университет 2009 г.); на 8-й международной научно-практической конференции. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009 г.). На III международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно - плазменные методы модификации металлических поверхностей» (Кострома 2010 г.). На II международная научно - техническая конференция «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии». (Плес, 2010). На международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008, 2009, 2010 г.).
Личный вклад автора в работу является определяющим. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнены обработки и анализ экспериментальных результатов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ (одна статья в ведущем рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК, и 11 работ в международных материалах конференций).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на (97) страницах машинописного текста, содержит (48) рисунков, (3) таблицы и список литературы из (122) источников отечественных и зарубежных авторов.
*Научным консультантом является доктор физ.-мат. наук, профессор Ф.М. Гайсин.
Похожие диссертации на Электрический разряд между струйным электролитическим анодом и пористым катодом
-
