Многоканальный и аномальный тлеющий разряды с металлическим анодом, входящим в электролитический катод Багаутдинова, Лилия Наилевна

Введение к работе

Актуальность работы. Электрические разряды (ЭР) в электролитах между металлическими электродами изучены достаточно хорошо. Наряду с изучением ЭР в электролитах между металлическими электродами большой интерес представляют разряды с твердым анодом, входящим в электролитический катод (ЭК). Одним из способов получения неравновесной низкотемпературной плазмы является использование многоканального (MP) и аномального тлеющего разряда (АТР) с металлическим анодом (МА), входящим в электролитический катод при атмосферном и пониженных давлениях. Последние годы наметились перспективные направления применения вышеуказанных ЭР в плазмохимии, электронике, машиностроении, медицине и область применения их расширяется. Несмотря на это, характеристики и особенности физических процессов, протекающих в MP с металлическим анодом, входящим в электролитический катод при атмосферном давлении изучены слабо, а АТР при пониженных давлениях практически не изучены. Нет также единого мнения о природе таких разрядов. Практически отсутствуют данные по взаимодействию плазмы MP с поверхностями МА с омывающей струей электролита, а также распределенного многоканального разряда на поверхности обрабатываемого материала и изделия. Все это задерживает разработку и создание плазменных установок с MP и АТР с электролитическими электродами и их внедрение в производство.

Целью данной работы является установление характеристик и выявление особенностей физических процессов, протекающих в многоканальном и аномальном тлеющим разрядах с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также с омывающей МА струей электролита и с распределенным MP на поверхности анода при атмосферном и пониженных давлениях и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.

Задачи исследования:

1. Разработать и создать устройства для получения MP и АТР с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также с омывающей струей электролита и с распределенным MP на поверхности МА при атмосферном и пониженных давлениях.

2. На основе проведенных экспериментальных исследований электрического разряда с металлическим анодом, входящим в электролитический катод, а также MP с омывающей МА струей электролита и с распределенным многоканальным разрядом на поверхности обрабатываемого анода выявить основные формы, структуры ЭР, вольт-амперные характеристики (ВАХ), распределение плотности вероятности значения тока, колебания напряжения и тока ЭР, зависимость температуры электролита от величины тока в диапазоне давления Р = 0,9-10⁴-s- 9,8-10⁴ Па, напряжения U = 200*600 В и тока разряда / = 0,25*200 А, для различных составов (растворы NaCl, (NH^SO^ NH4NO3 в технической воде) и концентраций электролитов (от 0,5% раствора солей в технической воде и до насыщения).

3. Разработать и создать опытно-промышленную установку мощностью 50 кВт (УУМНР-50) для одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод.

4. Разработать методику одновременной очистки, полировки и повышения твердости поверхности МА, входящего в электролитический катод распределенным MP.

5. Разработать методику одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод аномальным тлеющим разрядом при пониженных давлениях.

6. Разработать методику одновременной очистки и полировки многоканальным разрядом с омывающей металлический анод струей электролита.

Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований.

Для исследования электрического разряда создан измерительный комплекс, состоящий из:

1. универсального двухлучевого осциллографа типа GDS-806S;

2. статистического вольтметра, амперметра, мультиметра разных классов точности;

3) цифровой видеокамеры «SONY HSC-H9», «ROWER 3.2» и
видеокамеры «SONY HDR-SR72E» и скоростной цифровой видеокамеры
Fastec HiSpec;

4. пирометра Center-352;

5. микроскопа металлографического инвертированного марки «Микромед Мет» и микроскопа инвертированного марки Meiji IM 7200.

Для определения степени воздействия на поверхность МА многоканального, аномального тлеющего разряда при атмосферном и пониженных давлениях использовались электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-механических свойств.

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:

1. В результате экспериментальных исследований установлены формы, особенности и характеристики многоканального разряда в процессе одновременной очистки и полировки при атмосферном давлении:

обнаружен электрический пробой между металлическим анодом и электролитическим катодом с последующим ступенчатым переходом электрического пробоя в многоканальный разряд;

образование парогазовой оболочки цилиндрической формы и горение MP на границе парогазовой оболочки;

переход парогазовой оболочки в водяной колпак в форме усеченного конуса;

- развитие турбулентного перемешивания MP и электролита;

образование фонтана капель электролита и образование парогазовых пузырей различных размеров;

переход пузырькового режима в турбулентное перемешивание MP и пористого электролита;

распыление материала анода и его смешивание с плазменно-электролитной средой;

горение MP между электролитическим катодом и конденсированной фазой электролита вокруг металлического анода;

особенности пульсаций напряжения и тока разряда;

распределение плотности вероятностей значений тока MP, которое не описывается законом Гаусса;

особенности горения MP с омывающей МА струей электролита и горения распределенным MP на поверхности МА.

2. В результате экспериментальных исследований установлены формы и особенности АТР при 0,9-10⁴< Р <9,8-10⁴ Па:

горение АТР на неоднородных, расщепленных и струйных участках

электролита.

Практическая ценность. Разработана и создана опытно-промышленная установка с мощностью 50 кВт (УУМНР-50) для одновременной очистки и полировки поверхности металлов и сплавов при атмосферном давлении.

Разработаны методики:

1. одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод с АТР при пониженных давлениях;

2. одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод распределенным MP;

3. одновременной очистки и полировки многоканальным разрядом с омывающей МА струей электролита.

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 I) № 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 29.05.2009Г a^vтакже

договор целевого финансирования при поддержке ИВФРТ № 246/н от 14.01.2008.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования развития MP и его характеристик на поверхности металлического анода, входящего в электролитический катод в диапазоне Р = 8,8-10⁴< /> < 9,8-Ю⁴ Па.

2. Результаты экспериментального исследования развития АТР и его характеристик на поверхности металлического анода входящего в электролитический катод в диапазоне Р = 0,9-Ю⁴ < Р < 8,8-Ю⁴ Па.

3. Результаты экспериментального исследования особенностей и характеристик MP, распределенного на поверхности МА, входящего в электролит и с омывающей МА струей электролита.

4. Методики одновременной очистки и полировки поверхности МА, входящего в электролитический катод при атмосферном давлении:

распределенным MP на поверхности обрабатываемого МА;

многоканальным разрядом с омывающей МА струей электролита.

5. Методика одновременной очистки и полировки поверхности
металлического анода, входящего в электролитический катод аномальным
тлеющим разрядом при пониженных давлениях.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на II международной конференции «Turbulent Mixing and Beyond» (июль 2009г., Италия), на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (27-28 октября 2009 г., Уфа), на VI международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (сентябрь 2009 г., г. Минск), на III международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (15-17 февраля 2010 г., г. Кострома), на VIII Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (26-28 октября 2009 г., Санкт-Петербург), на XXXVII Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (8-12 февраля 2010г., Звенигород), на XII международной выставке по физике сжимаемого турбулентного смешения (июль 2010 год, Москва), на II международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», г. Плес Ивановской обл. (21-25 июня 2010 г.), на III международной конференции «Имитирующие устройства и моделирование хаоса» (1-4 июня 2010, Крит, Греция), на IV международной конференции «Роль электрических полей в плазме» (Алушта, Украина, 13-18 сентября 2010).

Личный вклад автора в работу является определяющим. Автором разработана и создана опытно-промышленная установка мощностью 50 кВт (УУМНР-50) в соответствии с целями исследования, проведены эксперименты, выполнена обработка и анализ экспериментальных данных.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ (3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК и 15 работ в материалах международных конференций).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 134 источников отечественных и зарубежных авторов.

Похожие диссертации на Многоканальный и аномальный тлеющий разряды с металлическим анодом, входящим в электролитический катод

Устройства для создания паровоздушного разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом (непроточные и проточные электролиты) и его характеристики при атмосферном и пониженных давленияхСавельев Вячеслав Анатольевич

Характеристики многоканального разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении Нуриев Илсур Мухтарович

Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при атмосферном давленииАхатов Марат Фарихович

Характеристики газового разряда между проточным электролитным катодом и металлическим анодом : со вдувом и без вдува газаТазмеева Рамиля Нуриахметовна

Электрический разряд между струйным электролитическим анодом и пористым катодомЛогинов, Николай Александрович

Электрические разряды между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном и пониженных давленияхНасибуллин, Рамиль Тахирович

Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давленияхГайсин, Алмаз Фивзатович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ МЕЖДУ СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ АНОДОМ И ТВЕРДЫМ КАТОДОММУСТАФИН ТИМУР БАТИРОВИЧ

Электрические разряды между проточным электролитическим анодом и металлическим катодомСаримов, Ленар Рафисович

Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодомШакирова, Эльвира Фиргатовна