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

005008117

ШАКИРОВА ЭЛЬВИРА ФИРГАТОВНА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ МЕЖДУ СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ КАТОДОМ И СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ АНОДОМ

Специальность: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ЯН В 2012

Казань 2012

005008117

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

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук, профессор

Гайсин Фивзат Миннебаевич

Официальные оппоненты: - Желтухин Виктор Семенович

доктор физико-математических наук, профессор, Казанский (Приволжский) федеральный университет, зав. кафедрой математической статистики - Садриев Рамиль Шамилевич кандидат технических наук, доцент, Камская государственная инженерно-экономическая академия, кафедра электротехники и электроники

Ведущая организация: - ОАО Казанское опытное конструкторское бюро

«СОЮЗ»

Защита состоится &2012 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, Казань, ул. Карла Маркса, 68 (зал заседаний ученого совета).

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

Автореферат разослан «2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Герасимов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность работы. В неравновесной низкотемпературной плазме электрического разряда (ЭР) между твердым и жидким электродами обнаружено множество новых эффектов, полезных с точки зрения практических применений: очистка и полировка твердых металлических поверхностей; одностадийное получение мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей при атмосферном давлении; синтез органических соединений в растворах электролитов, очистка воды и стерилизация растворов и изделий. Одним из новых методов получения неравновесной низкотемпературной плазмы при атмосферном и пониженных давлениях является использование ЭР, возникающего между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом. Электрические разряды между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом являются полезными не только с точки зрения практических применений, но представляют большой интерес для изучения различных физических явлений. Несмотря на все указанные достоинства, характеристики и физические процессы электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях практически не изучены. Не установлены основные формы электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом. Не исследовано взаимодействие плазмы ЭР на границе раздела двух струй. Все это задерживает разработку плазменных установок между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях и их внедрение в производство. В связи с выше изложенньм экспериментальное исследование ЭР между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях является актуальной задачей.

Целью данной работы является установление характеристик и закономерностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях и создание на их основе плазменных устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.

Задачи исследования:

1. Разработать и создать устройство для получения многоканального разряда (MP) и аномального тлеющего разряда (АТР) между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях.

2. На базе созданной экспериментальной установки провести экспериментальные исследования электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом в диапазоне давления Р = 103-н105 Па, напряжения U— 200-й 500 В, тока

разряда I = 0,005+1,5 А, длины струйного катода /ci = 5+50 мм, длины струйного анода /с2 = 5+50 мм, расхода электролита G(Ci),G(C2) = 1,0+8,3 г/с, диаметров струйных электролитов d^,d(C2) = 1,5+2,5 мм, расстояния между параллельными струями h„ = 1+2 мм, скорости и = 0,2+0,98 м/с для растворов NaCl различной концентрации (20% и насыщенный) в технической воде. На основе проведенных экспериментальных исследований ЭР между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом для различных углов течения а = 0+180° выявить основные формы ЭР, изучить структуры разряда, вольтамперные характеристики (ВАХ) при атмосферном и пониженных давлениях, распределение температуры вдоль струйного электролитического катода и струйного электролитического анода при атмосферном давлении, функции распределения плотности вероятности значения I, пульсации величины тока разряда в широком диапазоне параметров 1, G, dc и /с.

3. Разработать методику очистки поверхности меди Ml, латуни, стали, алюминия АД, титановых сплавов различных марок до сварки с использованием ЭР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.

4. Разработать методику повышения класса шероховатости поверхности текстолитовой подложки с использованием ЭР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.

5. Разработать методику модификации нити углеволокна с использованием электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.

6. Составить уравнение регрессии для нахождения режимов повышения шероховатости поверхности текстолитовой подложки.

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

1) цифровые фотокамеры «Sony DSC-H9», «Rower 3.2» и видеокамера «Sony HDR-SR 72Е» и скоростная видеокамера «Fastec HiSpec»;

2) универсальный двухлучевой осциллограф типа G09-6030;

3) измеритель температуры CENTER-350;

4) одиночный зонд для измерения плавающего потенциала <р в точках пересечения двух струй;

5) статистический вольтметр, амперметр, мультиметры разного класса точности.

Для определения степени воздействия на поверхность твердых материалов ЭР струйными электролитическими электродами использованы электронная микроскопия, металлографические исследования и стандартные методики измерения физико-механических свойств.

Степень достоверности научных результатов определялась применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их

4

результатов с известными опытными данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики.

Научная новизна исследований:

1. В результате экспериментального исследования установлены особенности, формы и характеристики ЭР при атмосферном давлении:

- горение и характеристики многоканального разряда (МР) между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом для различных углов течения струй;

- горение и характеристики МР между капельным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом;

- особенности горения МР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом, расположенными параллельно;

- влияние неоднородности течения и смешивание струйного электролитического катода и струйного электролитического анода на формы и характеристики МР;

- образование стоячих капиллярных волн в результате наложения двух встречных струй разной полярности;

- значение тока МР между сходящимися (а = 65°) струями не описываются законом распределения Гаусса из-за большой величины асимметрии;

пульсации тока МР в случае двух параллельных струй;

- распределение температуры на поверхности вдоль струйного электролитического катода и струйного электролитического анода;

- снижение напряженности электрического поля в точках пересечения двух струй;

- стабилизация напряжения с ростом величины тока от 2 до 12 мА для двух струй в противоположных направлениях при а = 120°.

2. В результате экспериментального исследования установлены формы и особенности ЭР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом в диапазоне давления от 103 до 7,5-104 Па:

- переход многоканального разряда в аномальный тлеющий разряд (АТР) в диапазоне Р < 7,5-104 Па;

- особенности горения и характеристики АТР при пониженных давлениях.

Практическая ценность. Разработаны и созданы устройства для получения ЭР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях. Разработаны методики: повышения класса шероховатости на поверхности текстолитовой подложки, модификации поверхности нити углеволокна, локальной очистки поверхности материалов и изделий до сварки, составлено

уравнение регрессии для нахождения режимов повышения класса шероховатости на поверхности текстолитовой подложки для нанесения покрытий.

Работа выполнена при поддержке РФФИ № 04-02-97501 в рамках проекта «Фундаментальные исследования физики низкотемпературной плазмы паровоздушного разряда с электролитическими электродами и разработка новых технологий для обработки поверхностей объектов» и в рамках грантов программы ФСРМФП в НТС, ГНО ИВФРТ (Старт 1) № 6784р/9437, договор целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», проект №1/5, а также договор целевого финансирования при поддержке Государственной некоммерческой организации «Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан», № 246/Н.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования характеристик многоканального разряда между капельным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.

2. Результаты экспериментального исследования характеристик многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении.

3. Результаты экспериментального исследования характеристик АТР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при пониженных давлениях.

4. Методики локальной очистки поверхности материалов и изделий до сварки, повышения класса шероховатости поверхности текстолитовой подложки.

5. Методика модификации поверхности нити углеволокна между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на 9, 10 Международных научно-практических конференциях «Исследование разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010); на XXXVII Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2010 г.); на Международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» (Казань, 2011 г.); на II Международной научно-технической конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2010 г.); на П Международной научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань, КГТУ, 2010 г.); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009, 2010 гг.).

Личный вклад автора в работу является определяющим. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты, выполнена обработка и анализ экспериментальных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ (3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и 11 работ в материалах конференций).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, приложения. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 115 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 струйными электролитическими электродами. Там же обсуждаются области их практических применений и сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, предназначенной для исследования ЭР между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом в следующих диапазонах: Р = 103-И05 Па, U = 200-=-1500 В, / = 0,005-5-1,5 А, /с, = 5+50 мм, 1с2 = 5+50 мм, G(cl),Gfc2) = 1,0+8,3 г/с, и = 0,2+0,98 м/с, d{C\),d^2) = 1,5+2,5 мм, h„ = 2 мм и а = 0+180°. В качестве электролита был использован насыщенный раствор NaCl в технической воде.

Функциональная схема установки представлена на рис. 1. Она состоит из системы электрического питания и контроля электрических параметров разряда I и разрядного устройства с электролитическими ячейками И, вакуумной камеры III, вакуумного насоса IV типа 2НВЗ-5ДМ. Разрядная камера состоит из струйного электролитического катода 6' и струйного электролитического анода б, а также электролитической ванны 7. Источник питания обеспечивает регулируемое постоянное напряжение до 4000 В при номинальном токе до 10 А. Трехфазное сетевое напряжение через предохранители и рубильник подается на регулятор напряжения 1 типа ИР60УХЛ4, который позволяет регулировать трехфазное напряжение от 0 до 660 В. После регулятора напряжения питание подается на повышающий трехфазный трансформатор 2. На выходе с трансформатора можно получить напряжение до 4000 В. Переменное напряжение подается на выпрямитель 3, собранный по схеме Ларионова из вентилей типа ВЛ-200. Амплитуда пульсаций выпрямительного напряжения сглаживается П-образным LC фильтром 4 (Q = С2= 100 мкФ, L = 50-10'3 Гн) и пульсации уменьшаются от 6 до 1% от выпрямленного.

Для каждого набора значений величин i(c\)J(c2), G(ci),G(a), К

Рис. 1. Функциональная схема плазменной установки: 1 - регулятор напряжения;

2 - трансформатор; 3 - блок выпрямителя; 4 - LC-фильтр; 5 - система контроля электрических параметров разряда; 6,6' - струйные электролиты; 7- электролитическая

ванна

состава и концентрации электролита регистрация параметров электрического разряда проводилась не менее 11 раз.

ВАХ электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом 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%.

Фотографирование разряда осуществлялось фотоаппаратами «Sony DSC-Н9», «Rower 3.2», 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 подкадровом режиме. Измерение плавающего потенциала ср в точках персечения двух струй с помощью вольфрамового зонда с диаметром 0,8 мм и статического вольтметра С50 класса точности 1,0. По измеренным ф проведены расчеты Е - -gradç с точностью ± 5%. Распределения величины тока разряда, а также пульсация величины тока разряда снимались с экрана универсального

двулучевого осциллографа типа GOS-6030 на видеокамеру «Sony HDR-SR72E». Распределение температуры /с на поверхности струйного катода определялось с помощью измерителя температуры CENTER-350.

Рабочее давление в вакуумной камере регулировалось изменением скорости откачки, а измерялось вакуумметром ВТИ модель 1218 класса точности 0,6. Расход электролита определяется с помощью мензурки и

секундомера. Скорость вычислялась по формуле o = GIpS -GIря

где р- плотность электролита, S- сечение струи электролита.

Рельеф и микрорельеф поверхности исследовались на электронном микроскопе «ZEISS (AXIVERT) 200 МАТ», а также на электронном микроскопе металлографической инвертированной марки «Микромед Мет» и «Meiji IM 7200». Металлографические исследования выполнялись с использованием оптического микроскопа ОГМЭ-П2. 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 струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом в следующих диапазонах: U= 200+1500 В, / = 0,02-1,5 А, /с1 = 5-50 мм, 1с2 = 5-50 мм, GchGc2 = 1,0-8,3 г/с, о = 0,2-0,98 м/с, dc\ydci = 1,5-2,5 мм, hn = 2-5 мм для различных углов течения а = о-г180°. В качестве электролита использовали 20% и насыщенный раствор NaCl в технической воде.

На фотографиях рис. 2 представлены структуры MP между капельным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении в диапазонах: U= 680-1200 В, / = 0,06-0,3 А, диаметр капли dK = 3 мм, dc2 = 3 мм, /с2 = 40 мм. В качестве электролита был использован насыщенный раствор NaCl в технической воде. Расход струи и капли менялись в интервале G = 2-4,5 г/с. Струя электролита течет справа, а капля сверху слева и имеет форму усеченного конуса.

Как видно из рис. 2а, при токе I < 0,05 А разряд между каплей и струей электролита не горит. Наблюдаются только микроразряды как со стороны отрицательного потенциала 1, так и положительного 2. Они показаны стрелкой в точках 1, 2 Многоканальный разряд между каплей и струей электролита начинает гореть при I = 0,06 А (фотография рис. 26). С ростом тока от 0,06 до 0,1 А характер горения MP между каплей и струей меняется (фотографии рис. 2в). Разряд 4 охватывает часть поверхности капли электролита. В следующий момент времени разряд 4 горит внутри трубки. Анализ фотографий рис. 2г показывает, что вдоль свободно стекающей струи вниз наблюдается также чередование микроканалов 5 многоканального разряда. С ростом тока от0,1 до 0,ЗА происходит бурное турбулентное смешивание плазмы MP и электролита с интенсивным свечением белого цвета (фотография рис. 2d). Это

объясняется тем, что с увеличением силы тока число микроканалов МР возрастает.

в

1 = до 0,1 A, U= 1000 В

Экспериментальные исследования МР между двумя струями электролита проводились для различных углов пересечения а между ними. Схемы течения двух струй электролита представлены на рис. 3а-в.

г

/ = до 0,1 А, и= 1000 В

д

/= до 0,3 А, С/=680 В

Рис. 2. Фотографии МР между каплей и струей электролита

а= 180"

разряд

б

Рис. 3. Схемы течения двух струй электролита

На фотографиях рис. 4 а-г представлен МР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при угле пересечения 40°. Электролит - насыщенный раствор NaCl в технической воде при Р = 105Па, U = 480 В, / = 0,52 A, dcl = dc2 = 2 мм, /с) = /о2 = 40 мм, Gci = Gc2 = \ г/с, которые были сняты с помощью скоростной цифровой видеокамеры Fastec HiSpec для различных моментов времени. Частота кадров 7250 кад/с. Как видно из фотографии рис. 4а, многоканальный разряд горит выше точки пересечения двух струй. С течением времени МР начинает гореть ниже точки пересечения двух струй (фотография рис. 46). Анализ фотографий рис. 4в показал, что МР горит одновременно выше и ниже точки пересечения двух струй. Через At= 125 mS (рис. 4г) ЭР возвращается в исходное состояние, как и на фотографии, рис. 4а.

Рис. 4. Фотографии МР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при а = 40°

На рис. 5а-г приведены результаты исследования МР между двумя параллельными струями. Как видно из фотографии рис. 5а, МР горит в точке касания двух струй 1 и внутри диэлектрической трубки 2. Неоднородность двух струй приводит к тому, что микроразряды горят также вдоль двух параллельных струй (фотографии рис. 56 и в). Расстояние между двумя струями электролита меняется с течением времени. Это приводит к тому, что интенсивность горения МР с уменьшением расстояния между двумя струями существенно возрастает (фотография рис. 5г).

На рис. 6а, б и в представлены фотографии слаботочного МР между встречными струями электролита для различных углов течения. На фотографии рис. 6а угол между двумя струями электролита составляет а = 120°. МР горит в неоднородных точках струйного электролита. Как видно из фотографии рис. 66, две струи электролита совпадают, Они движутся на встречу друг к другу в горизонтальных направлениях. Как видно из фотографии рис. 66, вблизи анода 1 происходит образование стоячих капиллярных волн в результате наложения двух встречных струй разной полярности. Многоканальный разряд горит вблизи катода в четырех точках. На фотографии рис. 6в вблизи анода происходит расщепление встречных струй на три. Слаботочный МР горит в этих расщепленных струях.

а б в г

Рис. 5. Фотографии МР между двумя параллельными струями электролита при Ю5 Па, ¡7= 700В,/= 0,01, й„ = 1 мм, <1* = ас2 = 2,5 мм, /с, = /с2 = 50мм, вс = 4,4^8,3 г/с

а б в

U= 1200В,/= ЮмА, а= 120° U= 1000 В,/= 12 мА, а= 180° (7 = 600 В,/ = 2 мА, а = 180°

Рис. 6. Фотографии МР между встречными струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при Р = 105 Па, dc\ = dc2=1 мм,

'cl = ¿с2 = 20 мм, Gel = Gc2 = 1 г/с

На графиках рис. 7а и б приведены ВАХ слаботочного МР двух встречных струй электролита при малых dc\ = dc2 = 1 мм для различных а.

и, fi 1200

1000

600

I 1 0 l.mA

и. в 1000 воо 600

ч

Ч

13 20], ШЛ

Рис. 7 ВАХ многоканального разряда между встречными струями электролита: а- и= 1200 В,/ = 10 мА, а = 120°; б-С/= 1000 В, 1= 12 мА, а = 180°

Из анализа ВАХ при а = 120° величина и в интервале / от 0,5 до 1,5 мА резко возрастает, а затем с ростом тока от 2 до 11 мА напряжение разряда меняется незначительно. Во втором случае при а = 180° (рис. 76) в результате наложения двух встречных струй зависимость С/ от / носит линейно спадающий характер.

На рис. 8 приведена ВАХ многоканального разряда между двумя параллельными струями электролита при Р = 105 Па, и = 700 В, / = 0,01 А, К = 1 мм, dc, = dcг = 2,5 мм, 1С\ = 1с2 = 50 мм, Сс 1 = Сс2 = 4,4+8,3 г/с. Электролит -насыщенный раствор ИаС1 в технической воде. Величина и в интервале от 0,09 до 0,12 А возрастает, а с дальнейшим ростом / от 0,12 до 0,3 А носит падающий характер. Это объясняется тем, что с уменьшением расстояния между струями электролита величина I возрастает, а напряжение разряда снижается.

1000

Рис. 8. ВАХ многоканального разряда между двумя параллельными струями электролита при Р = 105 Па, 11 = 700 В, / = 0,01 А, И„ = 1 мм, с4| = (¿д = 2,5 мм, 0,25 I, А /с! = 'с2 = 50 мм, бс1 = = 4,4-8,3 г/с

На рис. 9 представлена ВАХ многоканального разряда между струями электролита при Р = 105Па, I/ = 480 В, / = 0,52 А, = г/с2 = 2 мм, 1Л = /с2 = 40 мм, а = 40°, бы = Сс2 = 1 г/с. Электролит - насыщенный раствор ЫаС1 в технической воде. Из рис.9 видно, что зависимость V от I имеет падающий характер.

Рис. 9. ВАХ многоканального разряда между струями электролита при а = 40°, Р = 105Па, U= 480 В, I = 0,52 A, = dc 2 = 2 мм, kí = 1с2 = 40 mm,Gci = GC2 = I г/с. Электролит - насыщенный раствор NaCl в технической воде

На рис. 10 представлены ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом для различных давлений. Струи параллельные и находятся на расстоянии hn = 2 мм. Электролит 20% раствор NaCI в технической воде. Как видно из рис. 9, ВАХ разряда имеют возрастающий характер. Сравнение кривых 1, 2, 3 и 4 показывает рост величины U разряда с увеличением Р от 103 до 7,5-104 Па. При небольших / от 100 до 400 мА АТР вдоль струи имеет синий цвет, а с ростом тока от 400 до 600 мА в точках пересечения двух струй переходит в желтый цвет.

U. В 800

I

600 400 200

0

Анализ экспериментальных данных показал, что МР переходит в АТР при Р < 7,5-104 Па. При этом отрицательное свечение охватывает струйный электролитический катод

На рис. 11 приведены распределения температуры на поверхности вдоль струйного электролитического катода и струйного электролитического анода при горении МР между двумя параллельными струями при Р = 105 Па, U = 700В, I = 0,OIA, hn = 1 мм, dc] = ofc2 = 2,5 мм, /с1 = /с2 = 50 мм, Gci = Gc2 = 4,4^-8,3 г/с. Как видно из рис. 11, величина íc в интервале от 0 до 5мм снижается почти линейно, а затем температура от 5 до 15 мм практически не меняется. Измерение температуры проводилось через каждые 2 мм с помощью CENTER-350. Установлено, что температуры на поверхности двух параллельных струй совпадают.

Распределение величины тока МР зависит от числа микроканалов в струях электролитов. Число микроканалов меняется из-за смещения двух струй

Рис. 10. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при ¿с! = 2 мм, /с2 = 35 мм, da, = 2 мм и вс! = 8,4 г/с для различных давлений: ! 1 -Р = 103; 2-Р = 2,5-Ю4; 3-Р = 5104; I. А 4-Р =7,5-104 Па

14 мм

Рис. 11. Распределение температуры вдоль струйного электролитического катода и струйного электролитического

анода. МР горит между двумя параллельными струями при Р = 10s Па, [/=700 В,/=0,01 А, h„ = 1 мм, dc 1 = dc2 = 2,5 мм, /С1 = 1о2 = 50 мм и Gel = Ой = 4,4-5-8,3 г/с. Электролит -насыщенный раствор NaCl в технической воде

с разными полярностями. Этот процесс существенно зависит от параметров 1С, йс, оси Р тл взаимного расположения двух струй. Они влияют на величину тока МР. В связи с этим исследована гистограмма распределения плотности вероятности значения тока МР при Р = 105 Па, /С] = 1Сг - 30 мм, ¿с] = г?с2 = 2 мм, Сс1 = бс2 = 8,4 г/с. После статистической обработки экспериментальных данных получены: среднее /ср = 0,08 А, среднеквадратическое отклонение с?1 = 0,02, моменты третьего порядка т/3 = -2,19-10"6, моменты четвертого порядка ш/4 = 2,18-10"7; рассчитана асимметрия А! = -0,4, критерий асимметрии по току 0,32; определена эксцесса Е1 = -0,7, а также критерий эксцесса по току 0,61. Расчетные данные показали, что плотность вероятности значения тока не описывается распределением Гаусса из-за большой величины асимметрии.

Рис. 12. Гистограмма распределения плотности вероятности значения тока МР между сходящими струями при а = 65°, Р - 105 Па, /с 1 = 1а = 30 мм, ^с1 ~ мм, 0С1 = Сс2 = 8,4 г/с. Электролит -

насыщенный раствор ЫаС1 в технической воде

Таким образом, результаты исследований характеристик и закономерностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде между струйным электролитическим о.о4 о.об 0.08 о.1 I, А катодом и струйным электролитическим анодом, являлись базой для разработки и создания методов модификации поверхности материалов и изделий.

В четвертой главе в результате исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом разработаны и созданы: устройства для получения МР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении и методики модификации поверхности материалов и изделий.

Предложена методика очистки поверхности материалов (медь М1, алюминий АД, латунь, сталь различных марок СтЗ, Ст20, Ст35, Ст45, У8, У8А, титановые сплавы) до сварки с использованием МР между струйным

электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении (рис. 13).

Рис. 14. Фотографии необработанной (а) и обработанной (б) поверхности меди М1 до сварки при Р = 105 Па, С/= 600 В: /=0,13 А, /С! = /С2 = 10мм, й?с1 = (¡с2 = 3 мм, а = 30°, 0С1 = Оа = 8,4 г/с, время обработки = 60 с. Электролит 20% раствор №С1 в технической воде

Рис. 13. Функциональная схема устройства для очистки поверхности до сварки с использованием МР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении: 1,2- медные провода для подвода положительного и отрицательного потенциала соответственно; 3,4 - диэлектрические трубки для формирования и подачи струи электролита;

5 - струи электролита; б, 7 -материалы для сварки; 8 - многоканальный разряд на поверхности материала

Сравнение фотографии рис. 14а и б показывает, что даже кратковременная обработка и = 60с позволяет производить очистку поверхностей меди М1. Из сравнения фотографии рис. \5а и б следует, что для очистки поверхности алюминия марки АД недостаточно времени обработки ?1 = 60 с.

Рис. 15. Фотографии необработанной (а) и обработанной (б) поверхности алюминия марки АД до сварки при Р= 105 Па, ¡7= 600 В, /= 0,13 А, /с, = 1Л = 10 мм, = ал = 3 мм, а = 30°, Са = Сс2 = 8,4 г/с, г, = 60 с. Электролит 20% раствор ИаС1 в технической воде

Разработано устройство и создана методика повышения класса шероховатости на поверхности текстолитовой подложки для нанесения покрытий (рис. 16).

Рис. 16. Функциональная схема устройства для

повышения шероховатости на поверхности текстолита: 1,2 - медные провода для подвода положительного и отрицательного потенциала соответственно; 3, 4 -диэлектрические трубки;

5 - струи электролита; 6 - многоканальный разряд на поверхности материала (7). Электролит -насыщенный раствор ЫаС1 в технической воде

В процессе повышения класса шероховатости разряд распространяется в кольцевой форме на поверхности текстолитовой подложки. Измерения проводились с помощью микроскопа инвертированной марки Мегр 1М 7200 со встроенной к ней программой ЗБ-моделирования участка поверхности. Анализ фотографий показал, что после обработки класс шероховатости увеличивается до 11.

Разработана и создана методика модификации поверхности нити углеволокна с использованием МР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при Р = 105 Па V - 1200 В, / = 600 мА, /с 1 = /С2 = 10 мм, = ¿л = 1,5 мм, Ос, = вл = 1 г/с (рис. 17). В процессе обработки нити углеволокна МР охватывает весь материал.

Рис. 17. Функциональная схема устройства для модификации поверхности нити углеволокна:

1,2 - медные провода для подвода положительного и отрицательного потенциала соответственно; 3,4- диэлектрические трубки; 5 - струи электролита; 6 - многоканальный разряд; 7 - нить углеволокна. Электролит -насыщенный раствор №С1 в технической воде. Стрелкой показано направление движения углеволокна

На рис. 18а и б приведены фотографии одной нити углеволокна до обработки и после обработки соответственно. Измерения проводились с

Рис. 18а. Нить углеволокна- до Рис. 186. Нить углеволокна - после

обработки(увеличение в 40 раз) обработки (увеличение в 63 раза)

помощью микроскопа металлографической инвертированной марки «Микромед Мет».

С учетом трехфакторного эксперимента получено уравнение регрессии, которое может быть использовано для нахождения режимов повышения класса шероховатости поверхности текстолита. Для выяснения влияния параметров разряда на свойства обрабатываемой поверхности был проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ). Основными факторами, влияющими на результат обработки, были приняты: U - напряжение разряда; dc - диаметр струи, 1С - длина струи. План ПФЭ приведен в таблице, где введены кодированные факторы

* Lzb* -и~и<р г d<-d<«

и. Х2~~Ш~ 3~ ч

» У

Средние значения факторов: /сi/с2сР =10 мм, {/ср = 900 В, de ср = 2 мм. Интервалы варьирования факторов: Д/с = 9 мм, Д£/ = 700 В, Дdc = 0,65 мм. Эти данные соответствуют тому, что длина струи менялась в интервале 5 + 50 мм, напряжение разряда 200 + 1500 В, диаметр струи 1,5 + 2,5 мм. В качестве выходного параметра было принято изменение класса шероховатости поверхности после обработки Y.

i хг Х4— Хв у 1 экс. ■^расч.

1 1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 9 9

2 1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 + 1 0 0

3 1 -1 +1 -1 -1 + 1 -1 +1 1 1

4 1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 2 2

5 1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 + 1 0 0

6 1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 -1 0 0

7 1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 11 11

8 1 +1 +1 +1 +1 + 1 +1 + 1 3 3

2 8 0 0 0 0 0 0 0 26 26

Уравнение регрессии

У = с0 + с,дс, +с2х2 + с3х3 + с4х,*2 + с5х,х3 + с6х2х3 +с7х1хгх3. Коэффициенты регрессии рассчитывались по формуле

Полученные значения коэффициентов регрессии:

с0 = 3,25; С\ = 0,25; сг = 1,00; с3 = -2; с4 = 2,5; с5 = 0; с6 = 0,25; с7 = -2,25.

Основные результаты и выводы

1. Разработана и создана экспериментальная установка для исследования электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях в диапазоне и - 200-И500 В, / = 0,02-4,5 А, /с1./с2= 5-50 мм, С^иОа = 4,4-8,3 г/с, и = 0,2+0,98 м/с, йл4а = 1,5+2,5 мм, /гп = 2+5 мм, а = 0+180° для 20% и насыщенного раствора ЫаС1 в технической воде.

2. На базе созданной экспериментальной установки проведены экспериментальные исследования и установлены следующие особенности: ВАХ электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом существенно зависит от (?С1,<?с2, /сЬ/с2, Р, а также взаимного расположения двух струй; распределения плотности вероятности значения тока МР между сходящими (а=65°) струями не описываются законом распределения Гаусса, из-за большой величины асимметрии.

3. Установлены основные формы электрического разряда (МР и АТР) между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом для различных углов течения струй, а также между капельным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом. Выявлено влияние неоднородности течения и смешивание струй на формы и структуры ЭР. Обнаружено образование стоячих капиллярных волн в результате наложения двух встречных струй разной полярности.

4. Выявлено стабилизация напряжения слаботочного МР в интервале 1= 2+12 мА для двух встречных струй разной полярности. Показаны пульсации тока МР в случае двух параллельных струй и снижение напряженности электрического поля в точках пересечения двух струй до 10 В/мм. Обнаружено, что с ростом длины двух параллельных струй электролита температура уменьшается.

5. Установлены формы и особенности аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом в диапазоне давления от 103 до 7,5-104 Па. Переход МР в аномальный тлеющий разряд происходит при Р < 7,5-104 Па.

6. Разработаны методики:

- очистки поверхности материалов и изделий до сварки;

- повышения класса шероховатости поверхности текстолитовой подложки до нанесения покрытия;

- модификации поверхности нити углеволокна.

7. Составлено уравнение регрессии для нахождения оптимальных режимов повышения класса шероховатости поверхности текстолитовой подложки.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Научная статья, опубликованная в гадании, определенном ВАК

1. Шатрова Э. Ф., Многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом / Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // Теплофизика высоких температур. - 2011, - Т.49, № 3. -С. 1-5.

2. Шакирова Э.Ф., Характеристики электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом / Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин И Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. - 2011. - № 3. - С. 73.

3. Шакирова Э.Ф., Особенности и характеристики электрического разряда между двумя струями электролита /Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин, И.Ш. Абдуллин, Ф.М. Гайсин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. -Т. 14,№ 18.-С. 229.

Работы, опубликованные в других изданиях

4. Шакирова Э.Ф. Многоканальный разряд между двумя струями жидкости / Э.Ф. Шакирова, Г.Р. Салимджанова // XVII Междунар. молодежная научная конф. «Туполевские чтения». - Казань, 2009. - С. 53.

5. Шакирова Э.Ф. Особенности многоканального разрядов между капельным катодом и электролитической ячейкой анода / Э.Ф. Шакирова, P.P. Каюмов // XVII «Туполевские чтения»: материалы Междунар. молодежная научная конференции. - Казань, 2009. - С. 114-115.

6. Шакирова Э.Ф. Особенности многоканального разряда между струями электролита / Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин // XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. - Москва, 2010. - С. 228.

7. Шакирова Э.Ф. Модификации поверхностей материалов изделий с использованием многоканального разряда между двумя струями электролита / Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин, Т.Е. Мустафин // II Междунар. научно-технич. конф. «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии». - Плес, 2010. - С. 178.

8. Шакирова Э.Ф. Прошивка, резка и сварка металлов с использованием многоканального разряда между двумя струями / Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин, Т.Б. Мустафин // II Междун. научно-технич. конф. «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии». -Плес, 2010.-С. 194-195.

9. Шакирова Э.Ф. Электрический разряд между двумя струями электролита при атмосферном давлении / Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин // Сборник трудов 9-ой Междунар. научно-практич. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 27-28.10.2010г.). -СПб., 2009.-С. 112.

10.Шакирова Э.Ф. Электрический разряд между струей и каплей при атмосферном давлении / Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин // Сборник трудов 9-ой Междунар. научно-практич. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 09-11.12.2010г.). -СПб., 2010.-С. 353-354.

11.Шакирова Э.Ф. Турбулентное смешение плазмы многоканального разряда между двумя струями электролита / Э.Ф. Шакирова, Т.Б. Мустафин // XVII

Междунар. молодежная научная конф. «Туполевские чтения». - Казань, 2010. -С. 214-215.

12. Шатрова Э.Ф. Электролитический разряд между двумя струями электролита при атмосферном и пониженном давлениях / Э.Ф. Шакирова, Ал.Ф. Гайсин // II Республ. научно-технич. конф. «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий», 8-12 ноября 2010 г. - Казань, КГТУ, 2011.-С. 168-170.

13. Шакирова Э.Ф. Колебания напряжения и тока многоканального разряда между двумя струями электролита при атмосферном давлении / Э.Ф. Шакирова, М.Ф. Ахатов, P.P. Каюмов И Междунар. конф. «Физика высокочастотных разрядов». - Казань, 2011. - С. 249.

14. Шакирова Э.Ф. Многоканальный разряд между капельным катодом и электролитической ячейкой анода / Э.Ф. Шакирова, Аз.Ф. Гайсин II Междунар. конф. «Физика высокочастотных разрядов». - Казань, 2011. - С. 258-259.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная Печ.л. 1,25. Усл. печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 105. Заказ О 184.

Типография Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

61 12-5/1820

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А. Н. Туполева - КАИ»

ШАКИРОВА ЭЛЬВИРА ФИРГАТОВНА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ МЕЖДУ СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ КАТОДОМ И СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ АНОДОМ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Гайсин Ф. М.

Казань 2012

Содержание

Принятые обозначения...............................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................6

Глава 1 Современное состояние исследований электрического разряда в газе между металлическим и электролитическим электродами...........................10

1.1. Особенности электрического разряда между твердым и жидким электродами............................................................................................................10

1.2. Характеристики разрядов с струйными электролитическими электродами............................................................................................................15

1.3. Особенности и перспективы применений электрического разряда с электролитическими электродами в современной технике...............................29

1.4. Постановка задачи диссертации..................................................................35

Глава 2 Экспериментальная установка и методика измерений...........................39

2.1. Функциональная схема экспериментальной установки............................39

2.2. Высоковольтная экспериментальная установка (выходное напряжение до 1500В при токе 2А)......................................................................41

2.3. Вакуумная система экспериментальной установки....................................42

2.4. Разрядные устройства....................................................................................43

2.5. Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов

и оценка точности измерений...............................................................................49

Глава 3 Результаты экспериментальных исследований электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженном

давлениях....................................................................................................................53

3.1. Формы электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях.......................................................54

3.1.1. Формы многоканального разряда между капельным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом

при атмосферном давлении...............................................................................54

3.1.2. Формы многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом

при атмосферном давлении...............................................................................56

3.1.3. Формы многоканального разряда между двумя параллельными струями электролита при атмосферном давлении..........................................58

3.1.4. Формы слаботочного многоканального разряда между встречными струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении...............................59

3.2. Вольт-амперные характеристики электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженном давлениях.........................................62

3.2.1. Вольт-амперные характеристики многоканального разряда при атмосферном давлении.......................................................................................62

3.2.2. Вольтамперные характеристики многоканального разряда при пониженных давлениях......................................................................................66

3.3. Распределение температуры вдоль струйного электролитического катода и вдоль струйного электролитического анода........................................68

3.4. Распределение величины тока разряда при атмосферном давлении.......69

3.5. Пульсация напряжения тока разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом............72

Глава 4 Устройства для получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим

анодом и методики модификации поверхностей материалов и изделий............73

4.1. Устройство и методика очистки поверхности материалов до сварки с использованием электрического разряда между струйным

электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом

при атмосферном давлении...................................................................................73

4.2. Устройство для получения шероховатости и методика повышения класса шероховатости на поверхности текстолитовой подложки для нанесения покрытий с использованием электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим

анодом при атмосферном давлении.....................................................................79

4.4. Получение уравнения регрессии для нахождения режимов

повышения шероховатости текстолитовой подложки.......................................84

Основные результаты и выводы..............................................................................87

Список использованной литературы.......................................................................89

Приложение..............................................................................................................100

Принятые обозначения

I — сила тока разряда; и - напряжение разряда; &С1 - диаметр струйного катода; с1С2 - диаметр струйного анода; ¿с - диаметр капли;

1с1 - длина струйного электролитического катода; 1с2-длина струйного электролитического анода;

, с

1;с - температура на поверхности струйного электролита;

I - время обработки детали, изделия, заготовки;

СС1 - расход катодного электролита;

0С2 - расход анодного электролита;

иС1 - скорость струйного электролитического катода;

ис2 - скорость струйного электролитического анода;

Ьп - расстояние между параллельными струями.

Сокращения ВАХ - вольтамперная характеристика; МР - многоканальный разряд; СМР - слаботочный многоканальный разряд АТР - аномальный тлеющий разряд; ЭР - электрический разряд

ВВЕДЕНИЕ

Электрические разряды в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо [1, 2, и др.]. Одним из новых способов получения низкотемпературной плазмы является использование электрического разряда, возникающего между металлическим и электролитическим электродами, а также между двумя электролитическими электродами. В настоящее время такие разряды используются в плазменной технологии для нанесения высококачественных теплозащитных, антифрикционных, диэлектрических и противокоррозионных покрытий [3,], а также для нагрева металлов и сплавов в электролите [4, 7], кроме того для электролиза с выносным анодом [5 и 6]

Однако возможности технологических применений генераторов плазмы с электролитными электродами ещё мало изучены. Актуальность исследований в этом направлении обуславливается целым рядом причин: дешевизной электролитов, высокой степенью чистоты технологических процессов с применением неравновесной низкотемпературной плазмы электрического разряда с электролитными электродами.

В настоящее время практически отсутствуют исследования плазмы электрического разряда между двумя струями электролита. Не изучены физические процессы на границе между двумя струями электролита, остается практически не исследованным взаимодействие плазмы электрического разряда с поверхностями металлических тел. Всё это задерживает разработку новых технологий и генераторов плазмы с двумя струями электролита для практических применений. В связи с выше изложенным, экспериментальное исследование в разряде между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом, разработка генераторов плазмы с двумя струями электролита представляют собой актуальную задачу. Данная диссертационная работа, состоящая из четырех глав, посвящена решению этих задач.

В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов со струйными электролитическими электродами, а также обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, предназначенной для исследования электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом. Также представлена функциональная схема установки для получения электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом. Здесь же приведена измерительная аппаратура, методика проведения экспериментов и оценка точности измерений.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях: структуры, ВАХ, распределение температуры на поверхности струи; распределение величины тока разряда.

В четвертой главе в результате исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом представлено разработанное и созданное устройство для получения многоканального разряда (МР) между струйным (капельным) электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом При атмосферном и пониженных давлениях, а также их практическое применение. Разработаны следующие методики: очистка поверхностей материалов и изделий до сварки, повышения класса шероховатости на поверхности текстолитовой подложки для нанесения покрытий с использованием МР, модификации поверхности нити углеволокна.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. В результате экспериментального исследования установлены особенности, формы и характеристики электрического разряда при

атмосферном давлении:

- горение и характеристики многоканального разряда (МР) между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом для различных углов течения струй;

- горение и характеристики МР между капельным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом;

- особенности горения МР между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом, расположенными параллельно;

- влияние неоднородности течения и смешивание струйного электролитического катода и струйного электролитического анода на формы и характеристики МР;

- образование стоячих капиллярных волн в результате наложения двух встречных струй разной полярности;

- значение тока МР между сходящими (а=65°) струями не описываются законом распределения Гаусса из-за большой величины асимметрии.

- пульсации тока МР в случае двух параллельных струй;

- распределение температуры на поверхности вдоль струйного электролитического катода и струйного электролитического анода при горении МР между двумя параллельными струями;

- что с ростом величины напряжений электрического поля капельный катод с треском разряжается на струйном электролитическом аноде и распадается на мелкие частицы;

- снижение напряженности электрического поля в точках пересечения двух струй;

- стабилизация напряжения с ростом величины тока от 2 до 12 мА для двух струй в противоположных направлениях;

2. В результате экспериментального исследования установлены формы и особенности электрического разряда между струйным электролитическим катодом и струйным электролитическим анодом в диапазоне давления от 103 до 7,5-104 Па:

- переход многоканального разряда в аномальный тлеющий разряд (АТР) в диапазоне Р< 7,5-104 Па;

- особенности горения и характеристики АТР при пониженных давлениях.

Глава 1

Современное состояние исследований электрического разряда в газе между металлическим и электролитическим электродами

1.1. Особенности электрического разряда между твердым и жидким

электродами

Явление электрического разряда исследуется с начала XIX века. Наиболее интенсивно развивались направления, связанные с дуговыми разрядами и плазмотронами 30-40 лет назад, а в последние годы внимание исследователей привлечено к распределенному разряду диффузионного типа в потоке газа. В литературе такие разряды имеют различные названия: тлеющий, диффузионный, высоковольтный тлеющий, объемный, однородный, самостоятельный, неконтрагированный. Среди большого разнообразия видов газового разряда - тлеющий разряд отличается легкостью осуществления сильно неравновесного состояния плазмы при пониженных давлениях.

Одним из новых способов получения неравновесной низкотемпературной плазмы является использование электрического разряда, возникающего между металлическим и жидкими электродами (электролит, дистиллированная вода и т.д.). Низкотемпературная плазма электрического разряда с электролитическими электролитами представляет собой объект, интересный для целого ряда приложений, для которых наиболее важно, что средняя энергия электронов, дрейфующих в электрическом поле, как правило, на порядок и более превышает тепловую энергию. Данное обстоятельство определяет высокую эффективность генераторов неравновесной низкотемпературной плазмы, электрического разряда при атмосферном давлении с электролитическими электродами.

Впервые разряд между электролитом и твердым анодом был получен Плантэ [89]. В его опытах анодом служил заостренный уголь, катодом - раствор

хлористого натрия. Он предполагал связь наблюдаемого явления с разрядами типа шаровой молнии. В работе [4] описаны условия, при которых наблюдается указанное явление в процессе нагрева металлов в электролите. В [5, 6] изучалось влияние состава электролита на шаровой слой в разряде.

В работе [10] показано, что на границе раздела раствор-газ наблюдается интенсивное образование гидроокисла, который в реакции ОН' +0Н'^Н20 + О образует в газовой среде свободные молекулы воды. Они, как диэлектрики с большой диэлектрической постоянной, притягиваются к аноду в область максимальной напряженности поля и поляризуются на нем, постепенно все больше и больше блокируя его. При достаточной концентрации гидроокисла в газовой среде анод может быть полностью экранизирован слоем поляризованных молекул воды, что способствует образованию вокруг анода промежуточного раствора. В этом случае электрические микроразряды происходят между жидкими слоями. Образование промежуточного раствора может происходить не в любом электролите, а только в концентрированных растворах солей щелочных металлов и щелочах [8], т.е. тогда, когда концентрация ионов ОН значительна. Поэтому можно считать, что образование промежуточного раствора обуславливается окислительным процессом ионов ОН' на границе раздела газ-электролит и связано с образованием вокруг анода тонкого адсорбированного слоя из поляризованных молекул воды. Адсорбированный слой молекул воды вокруг анода образуется за счет свободных молекул, находящихся в газовой среде с высокой напряженностью поля (между раствором и анодом). Качественный химический анализ собранных с анода растворов показал, что они представляют собой не чистую воду, а раствор с определенной концентрацией различных ионов. Вокруг анода не может образоваться капля чистой воды в связи с тем, что в ней и основном растворе происходят микроразряды, которые сопровождаются выделением тепла, нагревающего каплю. Температура промежуточных растворов во время образования равна 343 К. Это вызывает определенную деполяризацию молекул

воды, адсорбированных вокруг анода, и обеспечивает протекание электрохимических реакций между анодом и промежуточным раствором, что подтверждается наличием ионов анода в растворе. Кроме того, электрические разряды между основным и промежуточным растворами переносят некоторую долю основного раствора в промежуточный слой за счет механического катодного распыления электролита [11].

В работе [12] описаны результаты качественных спектрографических исследований свечений на аноде, возникающих при контактном электролизе имеющим разрядом. Для снятия спектров свечения была использована электролитическая ячейка, которая является источником света. Дно ячейки изготовлено из тонкой прозрачной пленки. Над пленкой находится слой электролита толщиной 10 мм. Свечение на аноде всегда окружено раствором, поэтому был снят только спектр видимой части излучения.

Эксперименты с разрядом между металлическим катодом и поверхностью раствора азотно-серебрянной соли при различных давлениях проводились Губкиным [13]. В [14] приведено описание визуальных наблюдений разрядов в воздухе при атмосферном давлении, возникающих между металлическим острием и поверхностью электролита. Авторы работы [14] полагают, что дуговой разряд возможен только при металлическом катоде и только в том случае, когда катод может быть нагрет до высокой температуры. Когда металл служил анодом пр�