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

На правахрукописи

Л^иМ.

МУСТАФИН ТИМУР БАТИРОВИЧ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ МЕЖДУ СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ АНОДОМ И ТВЕРДЫМ КАТОДОМ

Специальность: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543628

Казань 2013

005543628

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты: —

доктор физико-математических наук, профессор Гайсин Фивзат Миннебаевич

Дресвин Сергей Вячеславович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», профессор кафедры электротехники и электротехнологии

Гумеров Айрат Завдатович,

кандидат технических наук, доцент, Набережночелнинский институт (филиал) ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», доцент кафедры электротехники и электроники

Ведущая организация:

- ОАО «ВАКУУММАШ», г. Казань

Защита состоится « » 2013 года в часов на

заседании диссертационного совета Д 2Й.080Л 1 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. Карла Маркса, д. 68, корп. А (зал заседаний Ученого совета)

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан «Ж» с АН 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета* Герасимов А.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность работы. В течение последних двух десятилетий неравновесная низкотемпературная плазма электрического разряда (ЭР) атмосферного давления в жидкостях между твердыми электродами, а также в газе между твердым и жидким электродами привлекла особое внимание исследователей ввиду их довольно широких применений, связанных с защитой окружающей среды, медициной, плазмохимией и машиностроением. Это главная причина того, что неравновесная низкотемпературная плазма ЭР с жидкими электродами широко изучалась в последние годы. Однако существенная сложность электрических разрядов с жидкими электродами состоит в том, что полное понимание характеристик и физических процессов происходящих в ЭР с жидкими электродами, остается пока недостигнутым. Основной причиной ограниченного понимания ЭР с жидкими электродами является небольшое число подходящих для диагностики методов.

Наряду с изучением и практическим применением ЭР между твердыми электродами в жидкостях, а также между твердым и жидким электродами, большой интерес представляют электрические разряды между струйным электролитическим и твердым электродами. Практический интерес проявляется в том, что неравновесная низкотемпературная плазма ЭР между твердым электродом и струей жидкости имеет множество новых эффектов, полезных с точки зрения технологических применений.

Из анализа литературных источников следует, что электролитические разряды между струйным электролитическим анодом (СЭА) и твердым катодом практически не изучены. Не установлены основные виды таких электрических разрядов. В настоящее время теория ЭР между твердым электродом и струей жидкости отсутствует и для ее разработки первостепенное значение имеет накопление экспериментальных данных. Не изучен механизм электрического разряда между СЭА и твердым катодом. Не исследовано взаимодействие плазмы ЭР со струйным электролитическим анодом с поверхностями твердых тел. Большой практический интерес представляют различные способы и устройства для получения неравновесной плазмы ЭР со струйным электролитическим анодом. В связи с вышеизложенным экспериментальное исследование ЭР между струйным электролитическим анодом и твердым катодом при атмосферном и пониженном давлениях является актуальной задачей.

Целью данной работы является установление характеристик и изучение физических процессов, протекающих в электрическом разряде между струйным электролитическим анодом и твердым катодом при атмосферном и пониженном давлениях и создание на их основе разрядных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

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

2. Разработать и создать разрядную камеру (РК) экспериментальной установки для получения и исследования электрических разрядов между струйным электролитическим анодом и твердым катодом.

3. На базе, созданной экспериментальной установки, проводить экспериментальные исследования ЭР между твердым катодом и СЭА в диапазоне давления Р = 103-105 Па, напряжения разряда U = 200-1500 В, тока разряда / = 2,5-5000 мА, расхода электролита Gc = 1,4-8,3 г/с, скорости струи и = 0,15-0,98 м/с, диаметра струи dc = 2-5 мм и длин струи с торца диэлектрической трубки для подачи струи электролита /с = 2-120 мм из раствора NaCl в технической воде и концентрации электролита от 2% по массе до насыщения раствора. На основе экспериментальных исследований ЭР между твердым катодом (медь Ml, алюминий АМЦ40, трансформаторная сталь и оргстекло марки ТОСП) и СЭА изучить развитие объемного разряда (ОР) вдоль и вне струйного электролитического анода, структуры объемного электрического разряда (ОЭР), вольтамперные характеристики (ВАХ) разряда, распределения потенциала и напряженности электрического поля, распределение температуры вдоль СЭА и на поверхности твердого обрабатываемого катода, функции распределения значения плотности вероятности величины тока электрического разряда.

4. Разработать и создать методы локальной очистки, упрочнения и получения микропорошков углерода в струе электролитического анода из насыщенного раствора NaCl в технической воде.

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

Для изготовления разрядной камеры использованы материалы:

- основание и колпак разрядной камеры изготовлены из нержавеющей стали. В колпаке имеется стандартное окно с диаметром 100 мм, закрываемое оптическим стеклом из кварца;

- электролитическая ванна изготовлена из оргстекла марки ТОСП;

- провод для подвода отрицательного потенциала и устройство для формирование струи электролита изготовлено из меди марки Ml.

Для экспериментального исследования были использованы материалы медь марки Ml, алюминий АМЦ 40, трансформаторная сталь, оргстекло марки ТОСП.

Для исследования электрического разряда создан измерительный комплекс, состоящий из:

1) статистического вольтметра, амперметра, мультиметра разных классов точности;

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

3) инфракрасный пирометр марки TemPro 300;

4) микроскопа металлографического инвертированного марки «Микромед

Мет».

Для определения степени воздействия на поверхность металлического катода электрического разряда СЭА при атмосферном и пониженном давлениях использовались электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-механических свойств и «Склерометр МВ-11» для измерения твердости поверхности катода.

Достоверность научных результатов определяется применением обоснованных методик измерений и сравнением их результатов с данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением приборов высокого класса точности на установке с хорошей воспроизводимостью экспериментальных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики.

Научная новизна исследований:

- впервые установлено формирование объемного электрического разряда постоянного тока вдоль струйного электролитического анода и движение ОЭР вне СЭА под влиянием естественной конвекции воздуха при Р = 105 Па, и = 500-1500 В, / = 0,5-1,5 А, = 2-3,5 мм, /с = 10-20 мм, в = 3-4,5 г/с (и = 0,3-0,5 м/с);

- впервые обнаружено образование вертикальных плазменных струй с высотой от 20 до 40 мм при Р = 10 Па, I > 0,5 А на границе распространяющегося электролита (анод) на поверхности влажного оргстекла марки ТОСП и медного провода для подвода отрицательного потенциала;

- показано образование с контрагированных точек на поверхности медного катода плазменных струй;

- установлено, контрагирование конусообразных микроканалов в процессе. распространения многоканального разряда (МР) на поверхности влажного оргстекла;

- обнаружено, что многоканальный разряд кольцевой формы не горит на поверхности медного катода;

- выявлена граница перехода МР струйным электролитическим анодом в аномальный тлеющий разряд с понижением давления Р < 1,9-104 Па;

- обнаружены особенности горения МР для капельного режима струи электролита анода при Р = 105 Па, Сс = 0,5 г/с;

- установлен экстремальный характер распределения температуры поверхности СЭА в интервале 1С от 30 до 40 мм.

Практическая ценность. Результаты исследования служат для понимания сложных физических процессов, происходящих в электрическом разряде между твердым катодом и СЭА. Разработаны и созданы устройства для получения электрического разряда с струйным электролитическим анодом. Разработаны методики: очистки поверхности твердого катода с СЭА; повышения твердости поверхности катода с СЭА; получения микропорошков в струе электролитического анода из насыщенного раствора №С1 в технической воде.

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 1) № 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 29.05.2009, а также договор целевого финансирования при поддержке ИВФРТ № 246/н от 14.01.2008.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования развития объемного электрического разряда различной геометрической формы вдоль и вне струйного электролитического анода при атмосферном давлении.

2. Результаты экспериментального исследования горения MP и образования плазменных струй на границе распространяющегося электролита (анод) на поверхности влажного оргстекла марки ТОСП и металлического катода, а также образование плазменных струй с контрагированных точек на поверхности медного катода.

3. Методика очистки и полировки поверхности медного катода ЭР струйным электролитическим анодом.

4. Методика повышения твердости поверхности катода струйным электролитическим анодом.

5. Методика получения микропорошков углерода в струе электролитического анода из технической воды.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на XIII Международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследования свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений», V Кирпичниковские чтения (Казань, 2009 г.); на XVIII Международной Молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2010 г.); на XXXVIII Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011 г.); на IV Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (Россия, Новосибирск, 2011 г.)); на Всероссийской научно-практической конференции «Качество профессионального образования: проблемы, развитие, перспективы» (Россия, Казань, 2012 г., 2013 г.); на III Всероссийской молодёжной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочастотные вещества» (Москва, 2012 г.); на VII International Conference, Plasma Physics and Plasma Technology (Minsk, Belarus, 2012); на XI Международной конференции «Газоразрядная плазма и ее применения» (Томск, Россия, 2013 г.).

Личный вклад автора в работу. Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором создана разрядная камера экспериментальной установки в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнены обработки и анализ экспериментальных результатов. Разработаны методики и выведено уравнение регрессии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ (три статьи в ведущем рецензируемом журнале, рекомендованных ВАК и 9 работ в материалах международных конференций).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 185 источников отечественных и зарубежных авторов.

КРАТКОЕ 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 электрических разрядов между твердым 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 приведено описание экспериментальной установки, предназначенной для исследования электрического разряда между струйным электролитическим анодом и твердым катодом в диапазоне Р = 103-105 Па, U = 200-1500 В, / = 0,0025-5 A, Gc = 1,4-8,3 г/с, и = 0,15-0,98 м/с, dc = 2-5 мм, 1С = 2-120 мм, для раствора NaCl в технической воде и концентрации электролита от 2 % по массе до насыщения. Функциональная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Она состоит из электрической схемы (I), разрядной камеры (II) и вакуумной системы (III).

Сетевое напряжение через выключатель SA1.1 и предохранитель Fl поступает на трансформатор типа ТС-180, а затем через многоконтактный переключатель SA3 поступает на выпрямитель для преобразования переменного напряжения в постоянное. Этот выпрямитель собран на диодах типа КД 410 А по мостовой схеме. Предусмотрено емкостное сглаживание пульсации выходного напряжения трансформатора ТР1. На передней панели имеется выключатели напряжения SAI.2 и SA2.1. Переключатель SA3 служит для ступенчатого изменения напряжения. Высоковольтное постоянное напряжение на струю электролита подается с клемм «+» и «-». Дополнительные выходы позволяют наблюдать колебания напряжения и тока разряда на экране универсального двулучевого осциллографа типа GOS-6030. Величину напряжения и тока разряда можно измерить с помощью мультиметра типа MY68 и одновременно снимаются на видеокамеру.

ВАХ электрического разряда между СЭА и металлическим катодом измерялись с помощью вольтметра М367 класса точности 0,5 и статического вольтметра С50 класса точности 1,0, амперметром Ц-4311 класса точности 0,5 и мультиметром MY68 класса точности 0,5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1,5%. Разрядная камера состоит из ванны для сбора электролита 1, струйного электролитического анода 2 и

влажного диэлектрического или металлического катода 3, медный провод для подвода отрицательного потенциала 4, а также медные трубки 6 для формирования струи. Вакуумная система установки состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса типа 2НВР-5ДМ. Рабочее давление в вакуумной камере регулируется изменением скорости откачки, а измеряется вакуумметром ВТИ модель 1218 класса точности 0,6, а также вакуумметром модель 1227 класса точности 0,25. Расход электролита определяется с помощью мензурки и

секундомера. Скорость вычислялась по формуле V = О/рЗ = С/рп\ — р - плотность электролита, 5 - сечение струи электролита.

где

Рис.1. Функциональная схема экспериментальной установки

Для каждого набора значений величин /с, dc, Р, G, и, состава и концентрации электролита регистрация параметров ЭР проводилась не менее 11 раз. Фотографирование разряда 5 осуществлялось фотоаппаратом «Sony DSC-H9», «Rower 3.2», а также проводилась видеосъемка на видеокамеру «Sony HDR-SR72E» и скоростную цифровую видеокамеру Fastec HiSpec. Скорость съемки составляла 7259 кадров/с. Анализ получаемых видеороликов проводился в покадровом режиме. Распределения потенциала ф на оси разряда измерялись с помощью вольфрамового зонда с диаметром 0,8 мм, координатника и статического вольтметра С50 класса точности 1,0. По измеренным ф проведены расчеты распределения напряженности электрического поля Е с использованием формулы Е = -grad<р с точностью ±5%. Распределение температуры вдоль СЭА и на поверхности твердого обрабатываемого катода измерялись инфракрасным пирометром марки ТетРгоЗОО с точностью ±1,5 °С.

Рельеф и микрорельеф поверхности исследовалась на электронном микроскопе «ZEISS (AXIVERT) 200 МАТ», а также на электронном микроскопе «XL-30 ESEM TMP». Металлографические исследования выполнялись с использованием оптического микроскопа ОГМЭ-П2. Твердость поверхности образцов измерялась при помощи «Склерометра MB-11». Для статистической обработки экспериментальных данных разработан алгоритм, реализация которого осуществлена в пакете прикладных математических программ MathCAD14.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ЭР между СЭА и твердым катодом в диапазоне Р = 103-105 Па, U = 200-1500 В, / = 0,0025-5 А, 1С = 2-120 мм, Gc = 1,4-8,3 г/с, и = 0,15-0,98 м/с и dc = 2-5 мм для раствора NaCl в технической воде и концентрации электролита от 2% по массе до насыщения. В качестве твердого катода использовались медь, трансформаторная сталь и влажный диэлектрик из оргстекла марки ТОСП. Формы многоканального разряда между СЭА и медным катодом марки М1 при атмосферном давлении приведены на рис. 2,а и б. Видно, что на поверхности медного катода с контрагированных точек при 1 = 800 мА и U = 300 В образуются плазменные струи, которые поднимаются вверх.

Рис. 2. Характерные формы многоканального разряда при атмосферном давлении: а - струя электролитамедный катод 2, ' контрагированное пятно 3, плазменная

струя 4; б- МР с раздвоенной струей электролита при Р = 105 Па, U = 470 В, /=120 мА, 4 = 10 мм, dc = 2,6 мм и Gc = 1,4 г/с

Показано, что если струя электролита раздваивается, то микроразряды между СЭА и металлическим катодом горят как вдоль, так и между струями электролитического анода (рис. 2,6). Ниже представлены особенности горения МР струей электролита на поверхности влажного диэлектрика из оргстекла марки ТОСП и образования плазменных струй на границе распространяющегося электролита (анод) на поверхности влажного оргстекла и медного электрода для подвода отрицательного потенциала. Такие особенности характерны только для диэлектриков. В данном случае в качестве примера рассматривается оргстекло марки ТОСП.

На фотографиях рис. 3 показаны МР между струйным электролитическим анодом и твердым катодом при Р = 105 Па и в интервале и = 0,15-0,98 м/с. Как видно из рис. 3,а и б, при больших длинах СЭА /с = 50 мм, dc = 3 мм, I = 0,05 А и U = 250 В на границе струя электролит (анод) и влажного диэлектрика из оргстекла (катод) горит МР. Дальнейший рост тока от 0,25 до 0,5 А приводит к распространению МР вдоль струйного электролитического анода (рис. 3,в).

Если после зажигания многоканального разряда при 1 > 0,5 А электролит (анод) распространяется на поверхности влажного оргстекла, то когда электролит доходит до медной пластины для подвода отрицательного потенциала возникает плазменная струя с высотой h = 40 мм (рис. 3,г). Как

/7777777777777 б

видно из фотографии рис. 3,г, на торце СЭА горит МР. С уменьшением длины СЭА от 50 до 30 мм наблюдается другая особенность горения МР между струей и влажным диэлектриком. На поверхности влажного диэлектрика из оргстекла марки ТОСП (катод) горит МР кольцевой формы (рис. 3,д). С течением времени диаметр кольцевого МР возрастает в 3 раза (рис. 3,ж). Установлено, что МР не горит в форме кольца на поверхности медного катода.

г д ж

Рис. 3. Фотографии МР между СЭА и поверхностью влажного диэлектрического катода (оргстекло марки ТОСП). В качестве СЭА служит насыщенный раствор №С1 в технической

воде

Фотографии на рис. 4 получены с помощью скоростной цифровой видеокамеры Ра$1ес №Брес. Скорость съемки составляла 7529 кадров в секунду.

бег

д е ж з

Рис. 4. Развитие ОЭР вдоль и вне струйного электролитического анода. В качестве твердого катода служит медь М1, а СЭА насыщенный раствор КаС1 в технической воде

Весь процесс развития объемного электрического разряда (ОЭР) наблюдался в течение 800 пк. Если на фотографии рис. 4,а в капельной струе электролита наблюдаются микроразряды, то на фотографии рис. 4,6, зажигается ОЭР. Как видно из фотографии рис. 4,в, ОЭР увеличивается по объему почти в четыре раза по сравнению с ОЭР на фотографии рис. 4,6. С дальнейшим течением времени (фотография рис. 4,г) объем ЭР существенно увеличивается. На фотографиях рис. 4,г-е ОЭР начинает перемещаться в правую сторону из-за естественной конвекции воздуха. Объемный электрический разряд отделяется

от поверхности металлического катода и начинает уменьшаться по объему (фотографии рис. А,ж и з). При А? = 769,4 те ОЭР горит вне струйного электролитического анода и металлического катода (фотографии рис. А,ж и з).

Ниже приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований электрических и температурных характеристик, а также функции распределения плотности вероятности значения тока многоканального разряда в широком диапазоне параметров.

На рис. 5 представлены вольтамперные характеристики МР между СЭА и влажным оргстеклом марки ТОСП при Р = 105 Па 1С = 15 мм, ¿с = 3 мм и Ос= 8 г/с и и = 0,9 м/с. Анализ ВАХ (рис. 5) электрического разряда между СЭА и влажным оргстеклом в диапазоне / = 0,5-4,5 А показал, что с ростом тока разряда от 0,5 до 2,5 А величина V растет медленно. С дальнейшим увеличением I от 2,5 до 3,5 А напряжение резко возрастает от 400 до 1100 В и достигает максимального значения, а затем величина 17 постепенно спадает. В данном случае характер ВАХ объясняется особенностями развития МР как вдоль струи, так и на поверхности влажного оргстекла. Горизонтальный характер ВАХ в интервале I = 0,5-20,5 А наблюдается для МР при атмосферном давлении. Это объясняется тем, что с ростом I величина и не меняется, а число микроканалов тока разряда увеличивается. Из сравнения ВАХ многоканального разряда между СЭА оргстеклом катодом при Р = 105 Па. и медным катодом следует, что в В качестве СЭА служит насыщенный интервале тока разряда от 0,2 до 0,8 А Раствор в технической воде

[Шайдуллина А.Р., Гайсин Ф.М., Сон Э.ЕМ ТВТ.-2008.-Т.46,№4. - С. 623-625] имеет также аналогичный характер. Наличие экстремальной ВАХ (на рис. 5) объясняется переходом конусообразных каналов МР в процессе распространения на поверхности влажного оргстекла в контрагированные микроканалы.

В случае ЭР между капельно-струйным анодом и медным катодом при атмосферном давлении и небольших токах разряда ВАХ имеют возрастающий

характер. Это объясняется тем, что в интервале / = 2-25 мА горит аномальный тлеющий разряд (рис. 6).

Рис. б. ВАХ разряда между СЭА и твердым катодом (медь М1) для капельно-струйного режима

струи при Р=\О5 Па, Сс = 0,5 г/с для различных длин струи: / - 1С = 3 мм и 2 - /с = 5 мм. В качестве капельного анода служит насыщенный раствор NаС1 в технической воде

В случае электрического разряда с СЭА и медным катодом при пониженных давлениях в интервале тока разряда от 0,5 до 0,9 А зависимости и от / носят падающий характер (рис. 7).

Рис. 5. ВАХ многоканального разряда между СЭА и влажным

Рис. 7. ВАХ электрического разряда между СЭА и медным катодом при Р = 10 кПа, ¿с= 4 мм и вс = 3,3 г/с для различных длин струи: 1 - /с = 15 мм и 2 - 1С = 20 мм. СЭА - 2% раствор ИаС1 в технической воде

и,в

200

100

1 V

0,4 0,6 0,8

ДА

Из сравнения 1 и 2 рис. 7 следует, что с ростом длины СЭА напряжение разряда возрастает. Расчеты напряженности электрического поля Е вдоль СЭА с использованием формулы Е = -%сйй<р (рис. 8) показали, что распределение величины Е имеет экспоненциальный характер. Вблизи медного катода на длине СЭА от 0,5 до 3,5 мм наблюдается горение МР вдоль СЭА, а на расстоянии от 3,5 до 9,5 мм многоканальный разряд не горит. Характер распределения Е объясняется тем, что на границе СЭА и металлического катода ток проводимости определяется электронами. Поэтому с ростом 1С напряжение разряда возрастает (рис. 7).

♦

1 2 3 4 5 6 7 8

г, мм

Рис. 8. Распределение напряженности электрического поля на оси СЭА при Р = 103 Па, / = 0,2 А, с!с=4 мм, /с=10 мм и = 3,3 г/с. Анод - 2% раствор №С1 в технической воде. Катод - медь М1

На рис. 9 приведены результаты экспериментального исследования распределения температуры на поверхности СЭА для различных длин струи с помощью инфракрасного пирометра ТетРгоЗОО с точностью 1,5%.

Граница СЭА и поверхности медного катода находятся в нулевом сечении зависимости Т =/(7с). Как видно из рис. 9, зависимости температуры на поверхности СЭА от длины струи при /с = 30 мм (кривая 1) и /с = 40 мм (кривая 2) с ростом /с сначала возрастают, а затем убывают. С дальнейшим ростом /с =50 мм (кривая 3) величина Т только убывает. В нулевом сечении величина температуры имеет примерно одинаковое значение Т~ 62° С.

Рис. 9. Распределение температуры вдоль струйного электролитического анода при Р = 105 Па, Сс = 4,5 г/с и ¿с = 3 мм для

различных и, I и /с: /- и= 1114 В,/ = 0,31 А,/с = 30 мм;

2 - и = 348 В, 7 = 0,24 А, 1С = 40 мм;

3 - и = 830 В, / = 0,39 А, /с = 50 мм. В качестве электролита служит насыщенный

раствор соли ЫаС1 в технической воде

Число микроканалов разряда вдоль и на торце СЭА меняется случайным образом. Поэтому величина тока МР зависит от числа микроканалов. В связи с этим экспериментально исследован и проведен теоретический расчет функции

распределения вероятности значения тока МР в диапазоне I = 0,025-0,25 А при Р = 105 Па, /с = 15 мм, </с = 3 мм, <7 = 3,5 г/с и и = 0,5 м/с (рис. 10).

Рис. 10. График нормального распределения в

прямоугольной системе координат. Точки - эксперимент, сплошная линия - расчет, П\ - частоты появления заданного значения I.

В качестве СЭА насыщенный раствор соли ИаС] в технической воде и твердого катода (медь М1 ) 0 006 0 1 016 -

В табл. 1 приведены результаты экспериментального исследования.

/¡. мА 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

"І 6 34 56 74 75 61 42 24 16 5 3

Л'рі 15,8 31,7 51,5 67,9 72,6 63,1 44,5 25,4 11,8 4,45 1,36

распределения.

По данным измерений вычислены дисперсия и среднеквадратическое отклонение значений тока от среднего значения

=^-і(/ср-/,)2=1,8М03мА2, = 42,5мА,

а также моменты третьего и четвертого порядков:

т3(І) = -^Ніср-ІІ У = 2,77 -104мА3 и т4(/) = ~ Ціср -1,У= 7,63 ■ 106мА4.

По полученным значениям вычислены параметры асимметрии и эксцесса

ст; а/

Сопоставление параметров асимметрии и эксцесса по току с их теоретическими критериями, показывает, что распределение плотности вероятности значения тока не отличается от нормального закона распределения.

Таким образом, установлены характеристики и выявлены особенности физических процессов, протекающих в ЭР между струйным электролитическим анодом и твердым катодом, которые являлись базой для разработки методики очистки и полировки, повышения твердости поверхности трансформаторной стали, а также методики получения микропорошков углерода в СЭА при атмосферном давлении.

В четвертой главе разработаны и созданы разрядные камеры (РК) экспериментальной установки для исследования электрических разрядов между СЭА и твердым катодом. В результате исследования МР между струйным электролитическим анодом и твердым катодом разработаны и созданы методики очистки и полировки поверхности медного катода струйным электролитическим анодом; методика повышения твердости поверхности трансформаторной стали и получения микропорошков углерода в СЭА из раствора №С1 в технической воде.

Рис. 11. Фотография микроструктуры Рис. 12. Спектр поверхности медного катода медного катода при Р = 105 Па, Є = 3,7 г/с, после воздействия МР при Р = 105 Па,

/с = 30 мм и <4 = 2,5 мм (1000-кратное С = 3,7 г/с, /с = 30 мм и ¿4 = 2,5 мм

увеличение)

Предложена методика очистки и полировки поверхности меди М1 с использованием МР струйным электролитическим анодом. В качестве СЭА был использован насыщенный раствор №іС1 в технической воде. Рельеф и микрорельеф поверхности исследовался на электронном микроскопе «ХЬ-30 Е8ЕМ ТМР». Анализ поверхности меди после воздействия МР струйным электролитическим анодом показал, что можно достичь среднее арифметическое отклонения профиля до Ла < 0,1 мкм при атмосферном давлении (рис. 11).

На фотографии рис. 12 показан спектральный состав поверхности медного катода после воздействия МР. До воздействия в спектре присутствуют значительные пики Си и небольшие пики О, Б и С1, а пик углерода отсутствует. После воздействия МР со струйным электролитическим анодом спектральный состав меняется. В спектре наблюдаются значительные пики С1, С, Си, 0,Са.

Предложена методика получения микропорошков углерода МР между СЭА и медным катодом при Р = 105 Па, Є = 3,7 г/с, /с = 30 мм и 4 = 2,5 мм (рис. 13). Как видно из фотографии рис. 13, микропорошок углерода собирается на поверхности медного катода. Электронная микрофотография показана на рис. 14. Анализ результатов исследований показал, что белые участки соответствуют магнию, а темные состоят из микро углеродных частиц. Размеры, которых меняются от 0,1 до 20 микрон.

Рис. 13 Рис. 14.

Предложена методика повышения твердости поверхности трансформаторной стали МР со струйным электролитическим анодом. Твердость поверхности трансформаторной стали образцов измерялась при помощи «Склерометра МВ-11».

На рис. 15 представлены изменения усилия величин нагрузки от перемещения алмазной иглы. Из сравнения кривых 1 и 2, 3 до и после обработки следует, что твердость поверхности возрастает в три раза вдоль перемещения иглы.

H і 1 г 1.1Î д;.

: І І. гь™—-

Рис. 15. Трансформаторная сталь обработана при Р = 105 Па, 0 = 3 г/с, и = 0,3 м/с, = 3 мм и (= 10 с. Электролит - насыщенный раствор №С1 в технической воде

Рис. 16. Фотография для девяти образцов трансформаторной стали при Р = 105 Па, в = 3 г/с, и = 0,3 м/с, ¿с = 3 мм и для различный г, /с и и

Для выявления влияния параметров разряда на свойства обрабатываемой поверхности трансформаторной стали (фотография рис. 16) проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ). Основными факторами, влияющими на степень шероховатости поверхности обрабатываемого изделия являются: t - время обработки, /с - длина струи электролита, U - напряжение разряда. Минимальные и максимальные значения факторов /П1||| = 10 с, fmax = 60 с, Lin = 10 мм, 1тт = 30 мм, [/min = 450 В, [/тах = 630 В. Средние значения

факторов: /с ср = 20 мм, ic

Д1 =

t„

-t„

2 ' 2 Интервалы варьирования факторов: Дг = 25 с, Д/ = 10 мм,

35 с, Uccp = 540 В. Интервалы варьирования: M = /|1ИХ ~/mi" Д{/ ;

Д[/ = 90 В.

План ПФЭ приведен в таблице, где введены кодированные факторы:

1-І.

сср

и -и,.

t-t

ср

Л/ ' ли ' ' М ■

В качестве выходного параметра было принято изменение класса шероховатости на поверхности трансформаторной стали после эксперимента

№ х0 Х\ Х4=Х)Х2 Х5=ХіХ3 Х-]=Х\Х2Хт, к

1 1 -1 -1 -1 + 1 + 1 +1 -і 3

2 1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +і 6

3 1 -1 + 1 -1 -1 + 1 -1 +і 9

4 1 +1 + 1 -1 + 1 -1 -1 -і 4

5 1 -1 -1 +1 + 1 -1 -1 +і 9

6 1 +1 -1 +1 -1 + 1 -1 -і 9

7 1 -1 + 1 +1 -1 -1 +1 -і 11

8 1 +1 + 1 +1 + 1 + 1 +1 +і 11

S 8 0 0 0 0 0 0 0 63

Уравнение регрессии

У = в0 + в,*, + вгХг + вгхъ + в^X^ + в5ДГ5 + в6х6 +в1Х1.

Коэффициенты регрессии рассчитывались по формуле

в4=^1>41\

Полученные значения коэффициентов регрессии: во = 7,838; в! = - 0,462; в2 = 0,838; в3 = 1,913; в4 = -1,212; в5 = 0,212; в6 = - 0,087; «7 = 0,963.

Основные выводы

1. Создана разрядная камера экспериментальной установки для исследования электрического разряда между струйным электролитическим анодом и твердым катодом (медь М1, трансформаторный сталь, оргстекло марки ТОСП) при атмосферном и пониженном давлениях для раствора №С1 в технической воде и концентрации электролита от 2% до насыщения. Разрядная камера позволяет проводить экспериментальные исследования структуры и формы ЭР, электрических и температурных характеристик, распределения потенциала и рассчитать распределения напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического анода в диапазоне параметров: Р = 103-105 Па, и = 200-1500 В, 7 = 0,0025-5 А, вс = 1,4-8,3 г/с, \> = 0,15-0,98 м/с, ¿с = 2-5 мм и /с = 2-120 мм.

2. Впервые обнаружено формирование объемного электрического разряда постоянного тока вдоль капельно-струйного электролитического анода и движение ОЭР вне СЭА под влиянием естественной конвекции воздуха при атмосферном давлении, и = 500-1500 В, / = 0,5-1,5 А, ¿с = 2-3,5 мм, /с = 10-20 мм = 3-4,5 г/с (и = 0,3-0,5 м/с).

3. Изучено особенности развития ЭР на поверхности влажного диэлектрика из оргстекла марки ТОСП:

- образование плазменных струй высотой от 20 до 40 мм при Р = 105 Па и / > 0,5 А на границе электролит (анод) и металлический электрод (катод) для подвода отрицательного потенциала;

- распространение электрического разряда кольцевой формы на поверхности влажного диэлектрического катода;

- контрагирование конусообразных микроканалов МР кольцевой формы;

- образование плазменных струй с контрагированных точек на поверхности медного катода.

4. На базе проведенных исследований установлены границы перехода МР между струйным электролитическим анодом и медным катодом в аномальный тлеющий разряд с понижением давления (Р < 1,9-104 Па). Выявлен экстремальный характер зависимости напряжения от тока разряда между СЭА и влажным оргстеклом при Р = 105 Па. ВАХ между капельно-струйным

электролитическим анодом и медным катодом при Р = 105 Па имеют возрастающий характер и значительно зависят от длины капельной струи.

Показано, что В АХ многоканального разряда между СЭА и металлическим катодом из меди М1 и алюминия АМЦ40 при Р= 105 Па имеют линейно падающий характер. Обнаружено расслоение ВАХ с ростом длины струи. Выявлено, что материал катода и концентрация электролита влияют на величину напряжения разряда.

Установлено, что распределение напряженности электрического поля носит экспоненциальный характер, а распределение температуры экстремальный.

5. Экспериментально исследованы и проведены расчеты функции распределения плотности вероятности значения тока МР между струйным электролитическим анодом и медным катодом в диапазоне / = 0,025-0,25 А при Р = 10 Па, /с = 15 мм, бс = 3,5 г/с и и = 0,5 м/с. Установлено, что плотности вероятности значения тока МР имеет нормальную функцию распределения.

6. Разработаны и созданы разрядные камеры для получения и исследования МР, ОЭР и аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим анодом и твердым катодом (медь М1, алюминий АМЦ40, трансформаторная сталь и оргстекло марки ТОСП) при атмосферном давлении.

7. Разработаны методики:

- методика очистки поверхности твердого катода;

- методика повышения твердости поверхности катода;

- методика получения микропорошков углерода в СЭА.

8. Выведено уравнение регрессии для определения оптимальных режимов очистки и полировки трансформаторной стали при атмосферном давлении.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК

1. Мустафин Т.Б. Многоканальный разряд между струйным электролитическим анодом и твердым катодом / Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин // Теплофизика высоких температур. - 2011. -Т. 49, № 4. - С. 634-638.

2. Мустафин Т.Б. Некоторые особенности многоканального разряда в трубке при атмосферном давлении / Т.Б. Мустафин, Г.Т Самитова, Ал.Ф. Гайсин, Аз.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон, Д.А. Весельев, Ф.М. Гайсин II Теплофизика высоких температур. - 2011. - Т. 49, № 5. - С. 788-792.

3. Мустафин Т.Б. Характеристики электрического разряда со струйным электролитическим анодом при пониженных давлениях / Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин, Л.Ш. Гасимова, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казан, технологич. унта. - 2012. -№ 6. - С. 178-180.

Работы, опубликованные в других изданиях

4. Мустафин Т.Б. Электрический разряд со струей электролита для модификации поверхности молекулярных соединений / Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин // Х1П Междунар. конф. молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных

соединений V Кирпичниковские чтения», Казань. 9-10 декабря 2009. - Казань, 2009.-С. 135.

5. Мустафин Т.Б. Паровоздушный разряд между капельным электролитическим анодом и металлическим катодом при атмосферном и пониженном давлении / Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин, А.Р. Шайдуллина // XVIII Междунар. молодежная научная конф. «Туполевские чтения». - Казань, 2010. - С. 125.

6. Мустафин Т.Б. Особенности электрического разряда между струйным электролитическим анодом и твердым катодом I Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин // XXXVni Международная конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, 14-18 февраля 2011. - Звенигород, 2011. - С. 224.

7. Мустафин Т.Б. Некоторые особенности получения наночастиц металлов с использованием электрического разряда в жидкости / Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин, И.Т. Гаусеева // IV Всерос. конф. «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» / Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН. Россия. - Новосибирск, 2011. - С. 47-49.

8. Мустафин Т.Б. Функциональные наноматериалы и высокочастотные вещества / Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин, И.Т. Фахрутдинова // Третья Всерос. молодежная конф. Москва, 28 мая / Институт металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова. - М„ 2012. - С. 185-186.

9. Mustafin T.B. The development of the discharge between a jet electrolyte anode and cathode / T.B. Mustafin, I.Sh. Abdullin, Al.F. Gaisin, R.Sh. Basyrov, M.B. Kasatkin, L.N. Bagautdinova, I.T. Fakhrutdinova, F.M. Gaisin // Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-7). VII International Conference, Minsk, Belarus, September 17-21, 2012.-2012.-Vol. 1.-P. 187-189.

10. Мустафин Т.Б. Объемные электрические разряды различной геометрической формы вне межэлектродного промежутка / Т.Б. Мустафин, Ал.Ф. Гайсин // Всерос. научно-практич. конф. «Качество профессионального образования: проблемы, развитие, перспективы», 2012. - С. 185-186.

11. Мустафин Т.Б. Турбулентное смещение электролита в диэлектрической рубке под воздействием плазмы многоканального разряда / Т.Б. Мустафин, Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин // Всерос. научно-практич. конф. «Качество профессионального образования: проблемы, развитие, перспективы»,- Казань, 2012.-С. 213-214.

12. Мустафин Т.Б. Некоторые особенности многоканального разряда в постоянном и переменном токе в проницаемой трубке со струей электролита при атмосферном давлении / Т.Б. Мустафин, Г.Т. Самитова, Ал.Ф. Гайсин, А.Ф. Гайсин // Всерос. научно-практич. конф. с международным участием «Наука и профессиональное образование: современные и теоретические проблемы и практический опыт» Зеленодольский ин-т машиностроения и информационных технологий (филиала) КНИТУ-КАИ, 2013. - Зеленодольск, 2013 г. - С. 144-146.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная Печ.л. 1 . Усл. печ.л. 0,93. Тираж 100. Заказ Б 135

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К. Маркса, 10