Электрические разряды между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

САРИМОВ ЛЕНАР РАФИСОВИЧ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ МЕЖДУ ПРОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ АНОДОМ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМ

КАТОДОМ

Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

2 Я НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2013

005540495

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ».

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук,

профессор, Гайсин Фивзат Миннебаевич

Официальные оппоненты: - Кирпичников Александр Петрович

доктор физико-математических наук, профессор, Казанский национальный исследовательский технологический университет, зав. кафедрой интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами

- Хакимов Радик Гумарович кандидат технических наук, доцент, Казанский (Приволжский) федеральный университет, зав. кафедрой информатики и вычислительных технологий

Ведущая организация: ОАО «Вакууммаш», г. Казань

Защита состоится «25' » 2013 года в часов на

заседании диссертационного ¿¿вета Д 212.079.02 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева - КАИ по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10 (зал заседаний ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского национального исследовательского технического университета им.А.Н. Туполева - КАИ (www.kstu-kai.ru)

Автореферат разослан «_

/5 » _2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

Д0«ент А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная техника требует новых технологий управляемого воздействия на материалы, которое в свою очередь сказывается на экономии энергии, реагентов, сырье, повышении производительности труда и качестве изделий. Электрические разряды (ЭР) применяются для очистки и полировки металлов и сплавов, технологии получения мелкодисперсных порошков из различных металлов, как при атмосферном, так и пониженных давлениях, биологической очистки жидкостей. Несмотря на перспективные использования ЭР между твердым и электролитическим электродами большой интерес представляют ЭР между электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях. Набор имеющихся в литературе теоретических и экспериментальных данных показал, что характеристики и физические процессы ЭР между электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях практически мало изучены. Не установлены основные формы ЭР между электролитическим анодом и металлическим катодом. Не исследован взаимный переход многоканального разряда (МР) в тлеющий разряд (ТР) при атмосферном и пониженных давлениях. Все это задерживает разработку и создание плазменных установок и новых технологических процессов с использованием ЭР между электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях и их внедрение в производство. В связи с вышеизложенным, экспериментальное исследование ЭР между электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях является актуальной задачей.

Целью данной работы является установление характеристик и выявление особенностей физических процессов, протекающих в ЭР между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях и создание на их основе устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.

Достижение поставленной цели требовало решение следующих задач:

1. Провести анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов между твердым и электролитическим электродами, а также их практических применений.

2. Разработать и создать плазменную установку для исследования ЭР между электролитическим анодом (техническая вода, растворы Ка2С03 и №С1 в дистиллированной воде) (проточный и непроточный) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0) при атмосферном и пониженных давлениях и получения мелкодисперсных порошков оксида железа Ре304 и никеля системы №0-№.

3. На базе созданной плазменной установки провести

экспериментальные исследования: зажигания разряда, форм ЭР, вольтамперных характеристик (ВАХ) разряда, распределения потенциала и напряженности электрического поля, плотности тока ■ на металлическом катоде и электролитическом аноде, распределения потенциала на поверхности и в объеме электролитического анода, колебания тока разряда в широком диапазоне межэлектродного расстояния / = 1+-100 мм, диаметра катода dK = 3+15 мм, тока разряда I = 0,01-НО А, напряжения разряда U = 0,1+4 кВ, давления в разрядной камере Р = 2-103 ;105 Па, расхода электролита G = 15+34 г/с, скорости прокачки электролита и = 0,02+0,05 м/с.

4. Получить обобщенные эмпирические уравнения для расчета. ВАХ электрического разряда между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях.

5. Разработать методику и отработать оптимальные режимы получения мелкодисперсных порошков оксида железа Fe304 и никеля системы NiO-Ni в ЭР между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом.

6. Составить уравнения регрессии, позволяющие определить оптимальные параметры процесса получения мелкодисперсных порошков методом плазменного распыления.

Методики исследований. В диссертационной работе для решения поставленных задач применены современные методы и методики исследований со следующим измерительным комплексом:

1) одиночный зонд для измерения распределения потенциала на поверхности и в объеме электролитического анода;

2) цифровые фотокамеры «Canon 400D», «Sony DSC-H9» и видеокамеры «JVC GZ-HD7ER», «Fastec Troubleshooter LE» (скоростная видеокамера);

3) универсальный двухлучевой осциллограф типа ОСУ-20;

4) электростатический вольтметр, амперметр, мультиметры классов точности 0,5;

5) вакуумметр ТВ-610 МТИ класса точности 0,6;

6) измеритель температуры «Center-350»;

7) электронный микроскоп «XL-30 ESEM TMP» и металлографический микроскоп «Микромед-МЕТ» для анализа формы и размера частиц полученных порошков.

При разработке теоретических аспектов для определения основных технологических параметров процесса получения ЭР и мелкодисперсного порошка были использованы положения теплофизики, плазмохимии, физики плазмы, математического анализа; метод теории подобия для решения задач математического моделирования, методы полного факторного эксперимента для оптимизации, методы планирования эксперимента, методы статистического анализа, методы обработки результатов прямых измерений.

Степень достоверности научных результатов подтверждается следующим: все эксперименты проведены с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно

функционирующей установке с хорошей повторяемостью результатов; использованы физически обоснованные методики измерений; расчет погрешностей измерений выполнен с применением методов математической статистики и результаты экспериментов сопоставлены с известными опытными и теоретическими данными.

Научная новизна исследований:

В результате экспериментальных исследований установлены развитие электрического пробоя, формы ЭР, особенности и характеристики в диапазоне Р = 2-10М05 Па и и = 0,02-0,05 м/с:

- отклонение напряжения электрического пробоя от закона Пашена;

- образование пленочного катодного пятна на поверхности твердого электрода;

- формирование катодных пятен 8 и и образной формы и их постоянное перемещение в центре катода;

- влияние состава и концентрации электролита, давления и материала электрода на образование катодных пятен;

- переход МР в ТР;

особенности распределения потенциала и напряженности электрического поля для ТР и МР;

- достижение максимального значения потенциала в электролитическом аноде в центре анодного пятна;

- колебания тока МР и ТР;

- выполнение закона Геля в интервале 7 = 0,2-Ю,8 А для жидкого анода из технической воды.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют выполнить инженерный расчет плазменных установок с проточными и непроточными электролитическими анодами в широком диапазоне тока, межэлектродного расстояния, диаметра металлического катода и давления. Разработана методика и отработаны оптимальные режимы получения мелкодисперсных порошков оксида железа Ре304 и никеля системы №0-№ в ЭР между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментального исследования зажигания разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом (техническая вода, растворы ШгСОз и №С1 в дистиллированной воде) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0).

2. Результаты экспериментального исследования форм ЭР, В АХ разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом (техническая вода, растворы №2С03 и ЫаС1 в дистиллированной воде) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0) в широком диапазоне параметров и, I, Р, I, (1К, Сии.

3. Результаты экспериментального исследования процесса взаимного

перехода ТР в МР при атмосферном и пониженных давлениях.

4. Результаты обобщения ВАХ электрического разряда между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях.

5. Методика получения мелкодисперсных порошков оксида железа Fe304 и никеля системы NiO-Ni в ЭР при атмосферном и пониженных давлениях.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010 г.); на международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2010, 2011 г.); на международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2010» (Одесса, 2010 г.); на международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука - производству» (Набережные Челны, 2010 г.); на международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009, 2010 г.); на III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Москва, 2012 г.). Получен патент на изобретение № 2486032 «Способ получения металлического порошка».

Личный вклад автора в работу состоит в создании плазменной установки для исследования ЭР в соответствии с целями исследования; проведении экспериментов, выполнении обработки, анализа и обобщения полученных экспериментальных результатов и разработке методик получения мелкодисперсных порошков.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ (3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 10 работ в материалах конференций, 1 препринт, 1 патент на изобретение).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, приложения. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 131 источника отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, формируются задачи исследования, основные защищаемые положения и научная новизна результатов.

В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований ЭР между металлическим и электролитическим электродами, там же обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы. В конце первой главы дана постановка задач исследования.

Во второй главе приведены описания плазменной установки, системы управления, измерительной аппаратуры, методика проведения экспериментов, и оценка точности измерений. Плазменная установка предназначена для исследования ЭР между проточным и непроточным электролитическим анодом (техническая вода, растворы Na2C03 и NaCl в дистиллированной воде) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0) в диапазоне U = 0,1+4 кВ, / = 0,01+10 А, / = 1+100 мм, Р = 2-103+105 Па,

G = 15*34 г/с, и = 0,02+0,05 м/с. Функциональная схема установки, представлена на рис. 1.

Основными частями плазменной установки являются система электрического питания /, система контроля II и рабочая система III. Источник питания, состоящий из регулятора напряжения 22, повышающего трансформатора 21 и блока выпрямителей 20, обеспечивает подачу регулируемого стабилизированного постоянного напряжения по токоподводам на разрядный промежуток. Блок разрядной камеры III содержит барботер 17 с компрессором 19 для подачи воздуха на дно электролитической ванны 16, емкости для электролита 15. Электролит во время работы постоянно перекачивается с помощью насоса 11 из электролитической ванны через дренажное отверстие, фильтра 12 и бака с теплообменником 9 и вновь стекает в электролитическую ванну, благодаря чему происходит его постоянное перемешивание.

На дне электролитической ванны установлена изолированная от корпуса анодная электродная пластина. Отрицательный потенциал подводится к изолированной от корпуса штанге 7, к которой с помощью зажимов могут быть прикреплены металлические электроды 8 различной формы. Штанга с помощью электропривода может перемещаться в вертикальной плоскости, благодаря чему можно устанавливать необходимое межэлектродное расстояние.

ВАХ разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом измерялись с помощью вольтметра М 367 класса точности 0 5 и электростатического вольтметра С-511 класса точности 0,5, амперметром Ц4311 класса точности 0,5 и мультиметром MY69 класса точности 0,5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1,5%. Блок разрядной камеры включает в себя также вакуумную систему 18, которая состоит из вакуумной камеры и вакуумного насоса 5 типа РВН-204^ Рабочее давление в вакуумной камере измеряется вакуумметром ТВ-610 МТИ класса точности 0,6.

Для каждого набора значений /, dK, Р, G, и, состава и концентрации электролита регистрация параметров ЭР проводилась не менее 8 раз. С помощью фотоаппарата марки Canon 400D и видеокамер марки JVC GZ-HD7ER и Fastec Troubleshooter LE (скоростная видеокамера) осуществлялось фотографирование и видеосъемка разряда соответственно. Температура электролита контролировалась при помощи ртутного термометра ТН4 М с

ценой деления 0,2 °С, а также цифровым бесконтактным прибором Сеп1ег-350 с точностью ±0,2%.

9

Вода

10 11 12

15

16

14

18 и

7

19

13

22

20 . 21 .

Рис.1. Функциональная схема плазменной установки для исследования электрического разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом

и металлическим катодом:

I - стабилизатор напряжения; 2 - система контроля межэлектродного расстояния; 3 - система контроля параметров электролита; 4 - система контроля электрических параметров разряда; 5 - вакуумный насос; б - система регулирования давления в разрядной камере; 7 - держатель металлического катода с приводом; 8 - металлический катод; 9 - бак с теплообменником; 10, 13 - запорная арматура;

II - насос перекачки электролита; 12 - фильтр для очистки электролита; 14 - обратный клапан; 15 - емкость для электролита; 16 - электролитическая ванна; 17 - барботер; 18 - вакуумная камера; 19 - воздушный компрессор; 20 - блок выпрямителей; 21 - трансформатор; 22 - регулятор напряжения.

При определении распределения потенциала и напряженности электрического поля менялось расстояние между металлическим катодом и электролитическим анодом и фиксировалось изменение напряжения горения разряда с изменением расстояния при постоянной величине тока. Распределения потенциала (р и напряженности электрического поля Е на оси разряда измерялись с помощью вольфрамового зонда с диаметром 0,5 мм, координатного устройства и электростатического вольтметра С-511 класса точности 0,5. Осредненная плотность тока на электродах определялась как отношение тока разряда к площади катодного или анодного пятна. Площади катодного и анодного пятен определялись путем измерения их диаметров с помощью микроскопа типа СП-52 с погрешностью ±0,05 мм. Колебания тока разряда исследовалось с помощью универсального двухлучевого осциллографа типа ОСУ-20. Для анализа формы и размера частиц порошков оксида железа Ре304 и никеля системы №0-№ использовались электронный

микроскоп «XL-30 ESEM TMP» и металлографический микроскоп «Микромед-МЕТ».

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ЭР между проточным и непроточным электролитическим анодом (техническая вода, растворы Na2C03 и NaCl в дистиллированной воде) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0).

Проведены экспериментальные исследования напряжения зажигания в зависимости от межэлектродного расстояния, материала и диаметра металлического катода. Сравнение зависимостей напряжения зажигания от I с обобщенной кривой Пашена приведено на рис.2.

Из рис.2 видно значительное отклонение экспериментальных данных от этой обобщенной кривой. Сравнивая кривые 1,2 к 3 можно отметить влияние на напряжение зажигания разряда состава электролитического анода. Использование вместо технической воды раствора NaCl и Na2C03 приводит к уменьшению напряжения зажигания при одинаковых межэлектродных расстояниях. Эти изменения связаны с проводимостью и деформацией

Рис.2. Сравнение экспериментальных данных с обобщенной кривой Пашена (кривая 4) (катод - Ст5, d,(=5 мм): 1 - проточный анод - 0,5%-ый раствор NaCl, 1

глубина электролита Нэ = 56 мм; 2 - проточный анод -0,1%-ый раствор Na2C03, глубина электролита Нэ = 56 од i з р-1 Па-м мм; 3 - проточный анод -

т к техническая вода, глубина электролита Нэ = 56 мм

Изучены образование катодных пятен на поверхности твердого электрода при атмосферном и пониженных давлениях. Как видно из рис.3,а горит МР при Р = 105 Па, /= 0,5 А и / = 3 мм. В данном случае на поверхности стального катода (Ст5) наблюдаются 3 точечные пятна, а с ростом тока количество пятен увеличивается до 5. Диаметр пятен составляет dK,„ =1,5 мм. При I = 0,7 А точечные пятна сливаются в общее пленочное катодное пятно (рис.3,6), занимающее всю торцевую поверхность электрода. Когда катодное пятно занимает всю торцевую поверхность металлического электрода, наблюдаются четко различимые S- и U-образные ярко светящиеся пятна на поверхности электрода. Они хаотически перемещаются в центре катодного пятна.

Экспериментальные исследования показали, что изменение состава и I

концентрации электролитического анода, давления и материала катода

поверхности электролитического анода.

и3,в

1 1. _L 1 I_1 1 J 1 1 1 [ Iii 1 1 1 1 1 1 1 JL J_ _L _LJJ_I J. J 1 1 1 1 ^^J

1 1 1 1 II 1 1 1 1 II 1 1 i i i i i i i Г 4 \ 3 1

: ~-Г==rzjsrfb

\ 4 J

J-l.

1 1 —t-s^f-Ч—м I I Г-2 1 1 1 1 1 1 1 41 i i

1 1 1 1 l i i i

существенно не влияет на характер образования катодных пятен. При этом меняется лишь форма разряда.

Рис.3. Фотографии образования катодных пятен на поверхности твердого электрода (Ст5) при Р = 105 Па, / = 3 мм, ¿4= 6 мм. Электролит (непроточный) -техническая вода: а-7 = 0,5 А; 6-7=0,7 А

Выявлено, что в диапазоне параметров от Р = 8-103 Па до Р = 7-104 Па, U= 250 - 620 В, /= 0,08 - 0,4 А и / = 0,5 5 мм горит многоканальный разряд для стали Ст5 (рис.4,а). При Р = 7-104 Па в интервале U = 620 720 В, 7 = 0,3- 0,4 А и / = 5 - 6 мм МР переходит в TP (рис.4,б). С увеличением Р > 7-Ю4 Па при U = 620 В и 7 = 0,33 А вид TP сохраняется.

В случае использования в качестве металлического катода никель Н-0 и электролитического анода технической воды в диапазоне от Р = 5-103 Па до Р = 105 Па, U = 200 - 850 В, 7 = 0,01 - 0,8 А и / = 0,5 - 40 мм горит TP (рис.4, в). Как видно из рис.4,в, при Р = 105 Па, U = 740 В, 7 = 0,45 А и / = 5 мм на поверхности электролита имеется сплошное анодное пятно фиолетового цвета (da = 3,5 мм), а также наблюдается ПС. С ростом U = 740 - 750 В при межэлектродном расстоянии 1 = 5 мм TP переходит в МР (рис.4,г). Многоканальный разряд на поверхности никелевого катода опирается на точечные пятна. Между анодом и катодом можно выделить три характерные области. Первая область расположена над анодным пятном, представляющая собой темное пространство. Толщина анодного слоя h — 0,5 мм при / = 5 мм и увеличивается с ростом /. Вторая область представляет собой светящийся ореол желто-белого цвета. Эта область относится к зоне плазменного столба.

Рис.4. Фотографии взаимного

перехода МР и TP, когда проточным электролитическим анодом служит техническая вода.

а - МР: Р= 7Т04 Па; U= 620 В, 7=0,34 А; / = 5 мм, dK = 6 мм; катод - Ст5; б - TP: Р= 7-Ю4 Па, U= 620 В;

/=0,33 А, / = 5 мм; с)к = 6 мм, катод - Ст5; в - ТР: Р = 105 Па; V =120 В,/=0,4 А; 1=5 мм, с1к = 6 мм; катод-Н-0; г-МР: Р= 105 Па, С/=730 В; /=0,45 А, / = 5 мм; ¿4 = 6 мм, катод - Н-0

Одним из важных характеристик для понимания физических процессов электрического разряда являются зависимости и=/(1). Из сравнения кривых 1, 2, 3, 4, 5 и 6 (рис.5) следует, что применение различных растворов в качестве электролитического анода и катода из материала сталь и никель при Р = 10 Па на характер ВАХ не влияют. Сравнение кривых 1, 2, 3, 4, 5 и б (рис.6) позволяет определить влияние электролита и материала катода на характер ВАХ разряда при Я = 8 • 103 Па.

Рис.5 ВАХ разряда между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом при: с/к = 6 мм, / = 5 мм, Р = 105 Па: / анод -техническая вода, катод - Ст5; 2 - анод

- техническая вода, катод - Н-0; 3- анод - 0,5%-ый раствор №С1, катод -Ст5; 4- анод - 0,1%-ый раствор Ка2С03, катод - Ст5; 5- анод - 0,1%-ый раствор Ыа2С03, катод - Н-0; б - анод - 0,5%-ый раствор №С1, катод - Н-0

Рис.6. ВАХ разряда между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом при </„ = 6 мм, / = 5 мм, Р= 8103 Па: / - анод - техническая вода, катод -Ст5; 2 - анод - техническая вода, катод

- Н-0; 3~ анод - 0,5%-ый раствор ЫаС1, катод - Н-0; 4- анод - 0,1%-ый раствор ИагСОз, катод - Ст5; 5- анод - 0,5%-ый раствор КаС1, катод - Ст5; 6 - анод -0,1%-ый раствор Ма2С03, катод - Н-0

Па рис.7 показано (р и Е для ТР (кривая 1) и МР (кривая 2) с электролитическим анодом из технической воды при Р = 7-104 Па.

Анализ кривых показывает, что характер распределения Е между электролитическим анодом и металлическим катодом существенно меняется. Для многоканального разряда величина Е от электролитического анода к

11

V

металлическому катоду снижается в интервале / от 0,8 до 1,8 мм, а в диапазоне / от 1,8 до 3,2 мм принимает минимальное значение Е = 5 В/мм, а затем возрастает до значения Е = 9 В/мм. В случае тлеющего разряда напряженность электрического поля в интервале / от 0,8 до 2,8 мм не меняется (Е = 1 В/мм). С ростом / от 2,8 до 4,8 мм наблюдается значительное увеличение Е в прикатодной области. Таким образом из сравнения кривых 1 и 2 следует, что характер распределения Е для ТР и МР различен.

Рис.7 — Распределение потенциала и напряженности электрического поля между проточным электролитическим анодом (техническая вода) и металлическим катодом (Ст5) для ТР (кривая 1-Е, и кривая 4 - ф) и МР (кривая 2-Е, и кривая 3 - ф) при Р = 7-104 Па, ¿4=4 мм, / = 5 мм: ТР - и= 420 В и /= 0,27 А; МКР - ¡7= 420 В и / = 0,25 А

Важным параметром для электрического разряда являются плотности тока на металлическом катоде ]к и электролитическом аноде ]:г Анализ экспериментальных данных показал, что в случае использования в качестве катода стали Ст5 величина ]к в интервале тока от 1 до 2 А уменьшается незначительно. Это связано с началом процесса выделения оксидного порошка железа. С уменьшением Р, характер изменения д. сохраняется. С ростом тока разряда в диапазоне от 0,1 А до 1 А наблюдается плавное падение величины уа от 3 до 1 А/см2 (рис.8). При / = 0,5 А следует, что с

ТОНИЖ1

А/см2

ф, В

350 300 250 200 -150 100 50 0 -

понижением давления от 105 до 8103 Па величинауменьшается в 1,5 раза.

1,5

х1

% / -

„ 4

5 -— __4

Рис.8 - Зависимость плотности тока на поверхности проточного электролитического анода

(техническая вода) от тока разряда для различных давлений при / = 3 мм, катод — сталь Ст5: 1-Р= 105 Па;

2 -Р= 70-Ю3 Па;

3 - Р = 40-Ю3 Па;

4-Р= 20-Ю3 Па;

5-Р = 8103 Па

1,5

1. А

Как видно из рис.9, использование в качестве металлического катода никеля Н-0 и электролитического анода из 0,5 %-го раствора №С1 при

Р = 105 Па и /= 0,25 А величина у'а в 3 раза больше чем с технической водой. С понижением давления до Р = 2-104 Па величина /„ становится в 12 раз больше. Анализ экспериментальных данных показал, что в интервале I = 0,3+0,5 А выполняется закон Геля.

1,. А/см'

Рис.9 - Зависимость плотности тока на поверхности проточного электролитического анода от тока разряда для различных давлений при 1 = 5 мм, катод - никель Н-0:

1 - Р = 105 Па, анод - техническая вода;

2 - Р = 105 Па, анод - 0,5%-ый раствор №С1;

3 - Р = 2-104 Па, анод - 0,5%-ый раствор №С1;

4 - Р = 2-104 Па, анод -

0 °'2 °'4 °<6 А техническая вода

На рис.10 представлено двумерное распределение (р на поверхности технической воды (анод) при атмосферном давлении. Двумерное распределение потенциала <р было снято зондом с помощью координатного устройства. Техническая вода протекает со скоростью и = 0,05 м/с в направлении оси х и нарушает симметричность распределения (р. Максимальное значение (р ~ 210 В достигается в центре анодного пятна. На расстояниях Ах = 30 мм и Ау = 25 мм величина ср уменьшается почти до нуля. Такое распределение (р существенно влияет на особенности анодного пятна на поверхности технической воды. Интенсивность свечения возрастает к центру двумерного распределения ср.

Анализ экспериментальных данных показал, что в объеме электролита Сшах существенно уменьшается. При глубине к = 25 мм величина <р снижается в 13 раз по сравнению с поверхностью анода.

Рис. 10. Двумерное распределение потенциала на поверхности электролитического анода (техническая вода) при: Р= 105 Па, С/=720 В,/=0,5 А, / = 5 мм

Проведено исследование колебаний тока МР и ТР. При Р = 105 Па для ТР характерны колебания с основной гармоникой около 25+30 Гц, коэффициент пульсаций тока при этом находится в пределах 12+16 %. При увеличении тока разряда

свыше 0,36 А при Р = 105 Па ТР переходит в МР. Форма колебаний тока МР отличается от колебаний тока ТР. Частота основной гармоники колебаний тока находится в пределах 25-К30 Гц.

Экспериментальные данные обобщены с использованием методов теории подобия и размерности при атмосферном и пониженных давлениях в диапазоне параметров 190<£/<905 В; 1</<10 мм; 0,03<К1 А; 8-103 <Р<105 Па для материалов катода сталь Ст5 и никель Н-0.

Составлено эмпирическое уравнение для расчета ВАХ ЭР между проточным электролитическим анодом (техническая вода) и стальным катодом:

и -I0'5 ( I

1 =1343'п-^1 \P-IT" (1)

Составлено эмпирическое уравнение для расчета ВАХ ЭР между проточным электролитическим анодом (техническая вода) и никелевым катодом:

\ —0,27

и ■ I0,5

= 47,35'

Г

■(Р-1)°'1Ъ (2)

а б

Рис.11. Обобщенные ВАХ разряда между проточным электролитическим анодом (техническая вода) и металлическим катодом (а - сталь Ст 5,б - никель Н-0) и экспериментальные точки для: 1 - Р = 105 Па; 2 - Р = 7-Ю4 Па; 3 - Р = 4-104 Па;

4-Р = 2-Ю4 Па; 5 — = 8-105 Па Сравнение кривых рис. 11 ,а,б показывает, что материал катода сильно влияет на характер обобщенных ВАХ разрядов. Максимальное среднеквадратическое отклонение экспериментальных значений напряжения разряда от полученных эмпирических уравнений, (1) и (2) составляет менее 5%. Поэтому эти критериальные уравнения можно рекомендовать для

инженерного расчета плазменных установок с проточным электролитическим анодом.

В четвертой главе в результате исследования ЭР между электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях разработана методика получения мелкодисперсных порошков оксида железа Ре304 и никеля системы №0-№. На рис.12 показана фотография получения порошков Ре304 и №0-№.

Рис.12. Фотография получения мелкодисперсных порошков Ре304 (а) и N¡0 -

№ (б) при Р = 105 Па: а -с1к — 6 мм, С/=700 В,/ = 0,6

А, / = 3 мм; б - с/к = 6 мм, [/=700 В,/=0,5 А, 1 = 3 мм. Проточный электролит -техническая вода

Из сравнения фотографий рис.13,а. и №0-№ имеют правильную сферическ'

б видно, что частицы порошков Ре304 ю форму.

Рис.13. Фотография частиц порошка Ре304 (а) и №0-№ (б) (увеличение в 800 раз) полученные при Р= 105 Па, ¿4= 6 мм, [/=700 В. 1 = 3 мм: а -/= 0,6 А (размер 0,65-0,75 мкм); б - / = 0,5 А, (размер 0,2-0,3 мкм)

а б

На рис.14 показаны гранулометрические составы порошков оксида железа Ре304 и никеля системы №0-№, полученных в ЭР, когда электролитическим анодом служила техническая вода.

ОД 0.3 0.5 0.7 0.9 <1, мм

0

ОД 0,3 0,5 б

(1, МКМ

Рис.14. Гранулометрический состав порошков Ре304 (а) и №0-№ (б), полученных при Р = 105 Па и и = 700 В,

I = 0,6 А, / = 3 мм, (а); и = 700 В, I = 0,5 А, / = 3 мм, (б)

Фазовый состав продуктов синтеза зависит от условий их образования в плазме ЭР. Данные рентгенофазового анализа полученных порошков и изученные методом рентгеновской дифракции в монохроматическом СиКа-излучении на дифрактометре ДРОН-3 показывают, что основной фазой в

порошке, полученном плазменным распылением стали Ст5 является магнетит (93 %), остальная часть представляет из себя вюстит.

В таблице 1 показаны данные рентгенофазового анализа порошка, полученного распылением никеля марки Н-0.

_таблица 1

20, град (1, нм Ш 1/1, Фаза

37,29 2,41 111 91 №0

43,31 2,088 200 100 N¡0

44,52 2,034 111 100 N1

51,86 1,762 200 42 N1

62,93 1,476 220 57 N¡0

75,46 1,259 311 16 №0

76,39 1,246 220 21 N1

79,41 1,206 222 13 N¡0

93,01 1,062 311 20 N1

95,11 1,044 400 8 №0

98,5 1,017 222 7 N1

122 0,881 400 4 N1

Из таблицы 1 видно, что синтезированный порошок никеля марки Н-0 имеет две фазы - оксид никеля N¡0 и чистый никель N1 кубической модификации.Соотношение по объему между ними равна 1:1. Частицы синтезированного порошка также имеют сферическую форму с размерами частиц в пределах 0,1 - 0,8 мкм диапазона.

Применением метода многофакторного планирования эксперимента получены зависимости, которые описывают влияние параметров ЭР на средний диаметр частиц порошка оксида железа Ре304 и никеля системы №0-№. Получены уравнения регрессии, которые позволяют подбирать необходимые параметры электрического разряда для получения порошков конкретного размера частиц и производительности.

Для среднего размера частиц порошка из стали:

Бст = 0,612 + 0,245-х2 + 0,145-хз - 0,029-х,-х2 + 0,054-хгХз -

- 0,079-х2-х3 (3)

Для производительности получения порошка из стали:

Пст = 35,958 + 5,208-Х! + 11,875-х2 - 4,875-х3 + 4,541-хгХз -

-6,458-х2-х3 + 6,125-х1-х2-х3 (4)

Для среднего размера частиц порошка из никеля:

Онш = 0,395 + 0,145-Х! + 0,045-Хз - 0,054-Х1-х2 - 0,054-х,-х3 -

— 0,02-х2-х3- 0,02-х,-х2-х3 (5)

Для производительности получения порошка из никеля:

Пник = 9,879 + 0,262-Х! - 1,029х3 - 1,62-х,-х2 + 0,67-х,-х3 +

+ 0,97-х,-х2-х3 (6)

Исследование полученного порошка Ре304 с размером частицы Б = 0,5 мкм в сравнении с эталонными ферритами показывает его существенно более высокие магнитные свойства (рис.15). Возможность получения больших значений магнитной индукции в порошке (В = 0,23 Тл), в сочетании со сферичностью формы его частиц, позволяет улучшить качество ферромагнитных сердечников, уменьшить габаритные размеры и потери на перемагничивание. Все это говорит о перспективности применения подобных порошков в машинострении.

В, Тл

ОД

орд

1 / — /6

1 1 / ■ ■"■*

и _, _■ , 3

1 / ' 1 - - ч4

г 4 5

'В /

0 20 40 60 80 100 120 140 160 Н.кЫм

Рис.15. Характеристики намагничивания ферритных порошков I - феррит марки М400НН; 2 - феррит марки М400мм; 3 - феррит; 4 - нано феррит железа; 5 - шихта марки ЗС418; 6- металлический порошок Ре304

Исследованный порошок никеля системы №0-№ состоит из сферических частиц правильной формы и это говорит о высокой технологичности данного порошка. Преимуществом также является однородность порошка по гранулометрическому составу

Основные результаты и выводы

1. Разработана и создана плазменная установка для исследования ЭР между проточным и непроточным электролитическим анодом (техническая вода, растворы №2С03 и №С1 в дистиллированной воде) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0) при атмосферном и пониженных давлениях и получения мелкодисперсных порошков оксида железа Ре304 и никеля системы №0-№.

2. Изучены зажигание и формы разряда, вольтамперные характеристики

разряда, распределения потенциала и напряженности электрического поля,

плотности тока на металлическом катоде и электролитическом аноде,

распределения потенциала на поверхности и в объеме электролитического

анода, колебания тока разряда в диапазоне / = 1-100 мм, с!к = 3-15 мм, I = 0,01-10 А, и = 0,1-4 кВ, Р = 2-103-105 Па, С = 15+34 г/с и и = 0,02-0,05 м/с. Установлено отклонение напряжения электрического пробоя от обобщенной кривой Пашена при использовании в качестве электролита технической воды и растворов ЫаС1 и Ыа2С03. Установлено различие распределений потенциала и напряженности электрического поля для ТР и МР. Установлено выполнение закона Геля для анодного пятна при использовании в качестве катода никеля Н-0. Установлено достижение максимального значения потенциала в электролитическом аноде в центре анодного пятна.

3. Установлено, что ЭР при атмосферном и пониженных давлениях в диапазоне /= 1-100 мм, С/= 0,1-4 кВ, 1= 0,01-10 А и Р = 2-103н-105 Па имеет две основные формы: тлеющий разряд и многоканальный разряд. Выявлен их взаимный переход.

4. Получены обобщенные эмпирические уравнения для расчета ВАХ ЭР между электролитическим анодом и металлическим катодом. Максимальное среднеквадратическое отклонение экспериментальных значений напряжения разряда от расчетных значений, полученных по обобщенным эмпирическим уравнениям, составляет менее 5 %.

5. Разработана методика получения мелкодисперсных порошков оксида железа Ре304 и никеля системы №0-№ в ЭР между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: Научная статья, опубликованная в издании, рекомендованном ВАК, патенты:

1. Саримов Л.Р. Некоторые особенности электрического разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом / Гайсин Ал. Ф., Саримов Л.Р. // Физика плазмы, 2011, т. 37, №6, с. 574-579

2. Саримов Л.Р. Модернизация плазменной установки для получения ферромагнитных нанопорошков / Гайсин Ал. Ф., Гумеров А.З., Насибуллин Р.Т., Саримов Л.Р. // Научно-технический вестник Поволжья, 2011, №4, с. 4954

3. Саримов Л.Р. Исследование колебаний тока электрического разряда между металлическим и электролитическим электродами при атмосферном и пониженных давлениях / Гайсин Ал. Ф., Гумеров А.З., Насибуллин Р.Т., Саримов Л.Р. // Научно-технический вестник Поволжья, 2011, №6, с. 29-32

4. Пат.№ 2486032 Российская Федерация. (51)МПК В22Р9/14. Способ получения металлического порошка / Гайсин А.Ф., Насибуллин Р.Т., Саримов Л.Р., Фахрутдинова И.Т. - 2012119156/02; заявка 10.05.2012; опубл. 27.06.2013

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Саримов Л.Р. Распределение потенциала в электролите разряда между металлическим и электролитическим электродами / Абдрахманов Р.Н., Гайсин Ф.М., Гумеров А.З., Насибуллин Р.Т., Садриев Р.Ш., Саримов Л.Р. // Шестая Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», сборник трудов конференции, С-Пб, Изд-во Политех, унив-та 2008, с. 121-123

5. Саримов Л.Р. Электрические характеристики многоканального разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом при атмосферном давлении / Саримов Л.Р., Гумеров А.З. // Международная молодежная научная конференция «XVII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», сборник трудов конференции, Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009, с. 135-136

6. Саримов Л.Р. Особенности многоканального разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях / Гайсин Ал.Ф., Гумеров А.З., Насибуллин Р.Т., Садриев Р.Ш., Саримов Л.Р. // Восьмая Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», сборник трудов конференции, С-Пб, Изд-во Политех, унив-та 2009, с 112-113

7. Саримов Л.Р. ВАХ многоканального разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях / Гайсин Ал.Ф., Гумеров А.З, Насибуллин Р.Т., Саримов Л.Р. //

XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и У ТС: тезисы докладов, Москва 2010, с. 299

8. Саримов Л.Р. Получение металлического порошка на плазменной установке при пониженных давлениях / Насибуллин Р.Т., Саримов Л.Р. // Международная научно-техническая и образовательная конференция «Образование и наука - производству», Наб. Челны, ИНЭКА 2010, с. 122-123

9. Саршюв Л.Р. Обобщенные вольтамперные характеристики многоканального разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом при пониженных давлениях / Гайсин Ал.Ф., Саримов Л.Р. // Международная молодежная научная конференция «XVIII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», сборник трудов конференции, Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010 том 2, с. 135-136

10. Саримов Л.Р. Метод измерения падения напряжения в электролитическом электроде электрического разряда / Гайсин Ал.Ф., Насибуллин Р.Т., Саримов Л.Р. // Международная научно-практическая конференция «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2010», сборник научных трудов, Одесса, Изд-во Черноморье, 2010, том 6, с. 47-50

11. Саримов Л.Р. Переход тлеющего разряда в многоканальный разряд в плазме между металлическим стальным катодом и электролитическим анодом (техническая вода) при пониженном давлении / Гайсин Ал.Ф., Саримов Л.Р. // Десятая Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», сборник трудов конференции, С-Пб, Изд-во Политех, унив-та 2010, с. 343-344

12. Саримов Л.Р. Переход тлеющего разряда в многоканальный разряд в плазме между никелевой пластиной-катодом и электролитическим анодом (техническая вода) при пониженном давлении / Гайсин Ал.Ф., Саримов Л.Р. //

XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС: тезисы докладов, Москва 2011, с. 287

13. Саримов Л.Р. Электрический разряд между металлическим катодом и электролитическим анодом / Гайсин Ал.Ф., Саримов Л.Р. //препринт, Казань КГТУ, 2011,с.24

14. Саримов JI.P. Особенности получения нанопорошка системы NiO-Ni в электрическом разряде / Гайсин Ал.Ф., Гумеров А.З., Насибуллин Р.Т., Саримов JI.P. // III Всероссийская молодежная конференция с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества»: сборник материалов, Москва, ИМЕТ РАН, РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2012, с. 515-516

Подписано в печать 14.11.2013г. Заказ 2885. Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1. Отпечатано в ООО «Набережночелнинская типография». РТ, г. Набережные Челны, ул. Низаметдинова, д. 18. Тел. 46-86-17.

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н. ТУПОЛЕВА - КАИ

На правах рукописи

04201454867

САРИМОВ ЛЕНАР РАФИСОВИЧ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ МЕЖДУ ПРОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ АНОДОМ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМ

КАТОДОМ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор Гайсин Ф.М.

Казань-2013

Содержание

Принятые обозначения и сокращения........................................ 5

Введение........................................................................... 6

Глава 1 Обзор исследований электрического разряда между

электролитическим и металлическим электродами......... 10

1.1 Особенности электрического разряда между электролитическим и металлическим электродами......... 10

1.2 Электрические разряды с электролитическим катодом..... 13

1.3 Электрические разряды с электролитическим анодом...... 22

1.4 Электрические разряды с двумя электролитическими электродами.......................................................... 23

1.5 Использование электрических разрядов с электролитическими электродами в технологии............. 25

1.6 Постановка задачи.................................................. 31

Глава 2 Плазменная установка для исследования электрического разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом и металлическим катодом и методика измерений................................................. 34

2.1 Функциональная схема плазменной установки............... 34

2.2 Система электрического питания плазменной установки .. 36

2.3 Электролитическая ванна.......................................... 40

2.4 Системы охлаждения и проточки электролита............... 41

2.5 Вакуумная система.................................................. 43

2.6 Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений................ 44

Глава 3 Результаты экспериментальных исследований

электрического разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом и металлическим катодом .... 47

3.1 Зажигание разряда между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом............................... 47

3.2 Формы электрического разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом и металлическим катодом..................................................... 51

3.2.1 Формы многоканального разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом и металлическим катодом............................................. 51

3.2.2 Переход многоканального разряда в тлеющий разряд • между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом и ее форма............................. 58

3.3 Падение напряжения в электролите и вольтамперные характеристики разряда между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом..... 68

3.4 Распределения потенциала и напряженности электрического поля................................................ 73

3.5 Плотность тока на металлическом катоде и проточном электролитическом аноде.......................................... 76

3.6 Распределение потенциала на поверхности и в объеме электролита........................................................... 80

3.7 Исследование колебаний тока многоканального и тлеющего разряда................................................... 81

3.8 Обобщенные вольтамперные характеристики электрического разряда между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом..... 84

Глава 4 Плазменная установка для получения электрического

разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях и методика получения мелкодисперсных порошков........................ 91

4.1 Плазменная установка для получения электрического разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях........................ 91

4.2 Методика получения порошка оксида железа (Fe304). Определение регрессионной зависимости получения порошка оксида железа на ПУ............................................ 97

4.3 Методика получения порошка никеля системы NiO - Ni. Определение регрессионной зависимости получения порошка никеля системы NiO - Ni на ПУ........................... 104

4.4 Характеристики и свойства полученных порошков оксида железа Fe304 и никеля системы NiO - Ni............................. 109

Выводы............................................................................. 115

Список использованной литературы......................................... 117

Примечание........................................................................ 132

Принятые обозначения и сокращения

I— сила тока разряда;

и - напряжение разряда;

11э - падение напряжения в электролите;

из - напряжение зажигания разряда;

Р - давление в разрядной камере

уа - плотность тока на электролитическом аноде;

у'к - плотность тока на металлическом катоде;

¿4 - диаметр анодного пятна;

йк - диаметр металлического катода;

йкт - диаметр контрагированной точки на поверхности металлического катода;

/ - межэлектродное расстояние;

1д - действительное межэлектродное расстояние;

сэ - концентрация электролита;

Нэ - глубина погружения токоподводящей пластины в электролит;

Сокращения

ВАХ - вольтамперная характеристика; МР - многоканальный разряд; ТР - тлеющий разряд; ПУ - плазменная установка; ПС - плазменный столб.

Введение

Электрические разряды (ЭР) в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо. В последние годы большое внимание уделяется исследованию газовых разрядов между металлическим и электролитическим, а также между электролитическими электродами. Интерес к таким источникам низкотемпературной плазмы объясняется тем, что они используются в технологических целях и обладают рядом достоинств, таких как плазмохимическое формирование покрытий с заданными свойствами на различных материалах, нагрев металлов и сплавов в электролитах. Режимами горения разряда можно легко управлять изменением концентрации и состава электролита. Благоприятное сочетание высокой температуры нагрева и элементов электролита в возбужденном и ионизованном состояниях позволяет осуществлять электротермическую обработку материалов. Многоканальные разряды с электролитическими электродами могут использоваться в плазменной технологии нанесения теплозащитных, антикоррозийных, и диэлектрических покрытий. Тлеющие разряды с электролитическими электродами могут использоваться в плазменной технологии получения различных мелкодисперсных порошков. Перспективность использования генераторов неравновесной плазмы с электролитическими электродами в этих целях подтверждается результатами многих экспериментальных исследований [1 - 5 и др.]

Многоканальные разряды между металлическими и электролитическими электродами, а также между электролитическими электродами представляют практический интерес как генераторы неравновесной плазмы с большим отрывом электронной температуры от температуры тяжёлых частиц. Низкотемпературная плазма с указанными свойствами имеет множество эффектов полезных с точки зрения технологических применений: очистка и полировка металлов и сплавов;

одностадийная технология получения мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей при атмосферном и пониженных давлениях; синтез органических соединений в растворах электролитов и др. Область применения разряда между металлическими и электролитическими электродами расширяется. В последние годы определились новые перспективные направления применения многоканального и тлеющего разряда между металлическим и электролитическим электродами в плазмохимии, электронике, машиностроении и стоматологии.

Многоканальные разряды между металлическими и электролитическими электродами, являются полезными не только с точки зрения технологических применений, но и имеют важное значение для изучения физических явлений. Такие разряды между металлическим катодом и электролитическим анодом отличаются особой устойчивостью. Они имеют стабильную диффузную структуру даже при атмосферном давлении. Несмотря на это, не исчерпаны различные методы и способы получения источников низкотемпературной плазмы многоканальных разрядов с электролитическими электродами. Всё это задерживает разработку плазменных установок и новых технологических процессов с использованием многоканальных разрядов с нетрадиционными электродами и их внедрение в производство.

Поэтому исследования ЭР между проточным электролитическим и металлическим электродами при атмосферном и пониженных давлениях представляют собой актуальную задачу. Данная диссертация, состоящая из четырёх глав, посвящена решению этих задач.

Содержание работы по главам

В первой главе приведён анализ известных экспериментальных исследований разрядов горящих между электролитическим и металлическим электродами, а также обсуждаются области их некоторых практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены описания экспериментальной установки, системы управления, измерительной аппаратуры, методика проведения экспериментов, и оценка точности измерений. Представлена принципиальная схема высоковольтного экспериментального комплекса для исследования электрического разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований электрического разряда между электролитическим анодом (техническая вода, растворы карбоната натрия ЫагС03 и хлорида натрия №С1 в дистиллированной воде) (проточный и непроточный) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0) в диапазоне параметров напряжения разряда V = 0,1-^4 кВ, тока разряда / = 0,01^-10 А, межэлектродного расстояния / = Н100 мм, диаметра катода ¿к = 3-45 мм, давления в разрядной камере Р = 2-103-Ч05 Па, расхода электролита (7 = 15-к34 г/с, скорости прокачки электролита и = 0,02-^0,05 м/с. Представлены также результаты комплексных экспериментальных исследований: зажигания разряда, форм электрического разряда, падения напряжения в электролитическом аноде, вольтамперных характеристик (ВАХ) разряда, колебаний тока. Определены распределение потенциала и напряженность электрического поля, плотности тока на металлическом катоде и электролитическом аноде, распределение потенциала на поверхности и в объеме электролитического анода. Получены обобщенные эмпирические уравнения для расчета ВАХ разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях.

В четвёртой главе в результате исследования электрического разряда между проточным и непроточным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях

разработана методика получения мелкодисперсных порошков оксида железа Ре304 и никеля системы №0 - N1.

На защиту выносятся следующие научные положения и выводы: 1. Результаты экспериментального исследования зажигания разряда между электролитическим анодом (техническая вода, растворы На2С03 и №С1 в дистиллированной воде) (проточный и непроточный) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0).

2. Результаты экспериментального исследования форм ЭР, ВАХ разряда между электролитическим анодом (техническая вода, растворы Ка2С03 и №С1 в дистиллированной воде) (проточный и непроточный) и металлическим катодом (сталь Ст5, никель Н-0) в широком диапазоне параметров II, I, Р, /, ¿4, Сии.

3. Результаты экспериментального исследования процесса взаимного перехода ТР в МР при атмосферном и пониженных давлениях.

4. Результаты обобщения ВАХ ЭР между проточным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженных давлениях.

5. Методика получения мелкодисперсных порошков оксида железа Ге3С>4 и никеля системы в ЭР при атмосферном и пониженных давлениях.

Глава 1

Обзор исследований электрического разряда между электролитическим и

металлическим электродами

1.1 Особенности электрического разряда между электролитическим и

металлическим электродами

Среди большого разнообразия видов электрического разряда - ТР отличается легкостью осуществления сильно неравновесного состояния плазмы. При обычных условиях эмиссия электронов с катода, даже в присутствии плазмы возле него, чрезвычайно мала. Только при прикладывании к разрядному промежутку, заполненным газом, напряжения, большего пробойного, устанавливается режим самостоятельного разряда. Он позволяет поддерживать в объеме низкотемпературную плазму, проводящую электрический ток.

Эта низкотемпературная плазма представляет собой объект, интересный для целого ряда приложений, например, важно, что средняя энергия электронов, дрейфующих в электрическом поле, как правило, на порядок и более превышает тепловую энергию. Такое обстоятельство определяет высокую эффективность газоразрядных источников света с ТР. Получение неравновесного состояния - основное условие для достижения усиления света. Возможность ускорить химические реакции, оставляя газ холодным, определило широкое использование ТР в плазмохимии, электроники. В настоящее время большое внимание уделяется разработке новых методов нанесения покрытий на металлы и сплавы. Одним из перспективных методов является метод получения плазмы в газовом промежутке между обрабатываемым изделием из проводящего материала и электролитическим электродом.

Впервые электрический разряд между электролитом и твердым анодом был получен Плантэ [6]. В его опытах анодом служил заостренный уголь, а катодом - раствор хлористого натрия. Он предполагал связь наблюдаемого явления с разрядами типа шаровой молнии. Разряд гальванического тока через тонкий слой электролита описывается в [7]. В [8] описаны условия, при которых наблюдается указанное явление в процессе нагрева металлов в электролите. В [9, 10] изучалось влияние состава электролита на шаровой слой в разряде.

Эксперименты с разрядом между металлическим катодом и поверхностью раствора-анода из азотно-серебряной соли при различных давлениях проводились Губкиным [11]. В [12] приведено описание разрядов в воздухе при атмосферном давлении, возникающих между металлическим острием и поверхностью электролита. В [12] полагают, что дуговой разряд возможен только при металлическом катоде. В этом случае катод может быть нагрет до высокой температуры.

В [13] приведено сравнение напряжения зажигания постоянного тока при атмосферном давлении для различных электролитических катодов и металлических анодов с обобщённой кривой Пашена (кривая 1), построенной в соответствии с [14]. При малых межэлектродных расстояниях экспериментальные данные удовлетворительно описываются обобщённым законом Пашена. При больших межэлектродных расстояниях наблюдается отклонение данных от кривой Пашена. В [15] также представлено сравнение экспериментальных данных с обобщённой кривой Пашена. При пониженных давлениях и малых межэлектродных расстояниях для напряжения зажигания НЧ разряда выполняется закон Пашена, а при больших межэлектродных расстояниях наблюдается значительное отклонение от кривой 1.

В работе [16] отмечен различный характер свечения и химических реакций в зависимости от полярности электрода из раствора йодистого калия. Эти явления объяснены механическим действием электронов. В

работе [17] описаны результаты качественных спектрографических исследований свечений на аноде, возникающих при контактном электролизе тлеющим разрядом. Для снятия спектров свечения была использована электролитическая ячейка, которая является источником света. Дно ячейки изготовлено из топкой прозрачной пленки. Над пленкой находится слой электролита толщиной 10 мм. Снят был только спектр видимой части излучения.

Многочисленные исследования химических реакций в зоне разряда между металлическим и электролитическим электродами проведены в [18, 19]. В результате таких исследований отмечено влияние концентрации электролита и полярности электродов. Когда металл служил анодом, содержание окисленных продуктов во много раз превосходило то количество, которое получалось, когда металл служил катодом.

В работе [20] отмечается, что одной из причин снижения температуры анода является интенсивное испарение электролита и связанное с этим значительное поглощение тепла. Такие исследования проводились и в [21, 22], где получены В АХ для электрического разряда между никелевым диском и электролитическими растворами KCl, NaCl, H2SO4, СН3СООН различных концентраций при различных температурах и разрядных промежутках. Автор работы [23, 24] считает возможным проникновение газовых ионов внутрь электролита и образование там новых молекул.

Цель работы [25] состоит в выяснении механизма электронной эмиссии электролитического катода. Излагаются результаты экспериментального исследования спектра шумов разряда при использовании в качестве катода растворов Na2S04. При увеличении концентрации раствора обнаружены возрастание шума и возникновение неустойчивости разряда. Все это свидетельствует о том, что внутри катода