Характеристики парогазового разряда между металлическим и жидким (непроточные и проточные электролиты) электродами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Принятые обозначения.

Введение.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРОГАЗОВОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ.

1.1. Зажигание парогазового разряда между металлическим и электролитическим электродами.

1.2. Парогазовый разряд с непроточными электролитами.

1.2.1. Парогазовый разряд между металлическим анодом и электролитическим катодом.

1.2.2. Парогазовый разряд между металлическим катодом и электролитическим анодом.

1.3. Парогазовый разряд с проточными электролитами.

1.3.1. Парогазовый разряд между металлическим анодом и пористым электролитным катодом.

1.3.2. Генераторы плазмы с пористыми электролитными катодами.

1.4. Практическое использование парогазовых разрядов с электролитическими электродами.

1.5. Постановка задачи диссертации.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА

ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Функциональная схема экспериментальной установки.

2.2. Системы электрического питания парогазового разряда.

2.3. Вакуумная система установки.

2.4. Устройства для подачи струи электролита и электролитические ячейки.

2.5. Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРОГАЗОВОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ АНОДОМ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ КАТОДОМ.

3.1. Парогазовый разряд, его вольтамперные характеристики и падение напряжения в электролите.

3.2. Плотности тока на электролитическом катоде и металлическом аноде.

3.3. Распределение потенциала и напряженности электрического поля. Катодное и анодное падения потенциала.

3.4. Характеристики разряда в системе: "струя электролита - металлический электрод".

3.5. Обобщенные характеристики парогазового разряда между металлическим анодом и электролитическим катодом.

3.6. Качественный механизм парогазового разряда между жидким неметаллическим катодом и металлическим анодом.

ГЛАВА 4. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПАРОГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ МЕЖДУ ЖИДКИМ (НЕПРОТОЧНЫЕ И ПРОТОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ) И МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОДАМИ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ.

4.1. Устройство для получения тлеющего разряда с жидким анодом и выпрямления тока за счет управления процессами, протекающими в катодной области парогазового разряда переменного тока между электролитическим и металлическим электродами.

4.2. Устройство для получения тлеющего разряда сплошным пятном на электролитическом катоде и металлическом аноде при атмосферном давлении.

4.3. Устройство для обработки внутренней поверхности цилиндрических каналов металлических изделий.

4.4. Устройство для очистки воды и стерилизации инструментов.

Выводы.

Электрические разряды в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо [1, 2 и др.]. В последние годы большое внимание уделяется исследованию газовых разрядов между металлическим и электролитическим, а также между электролитическими электродами. Интерес к таким источникам низкотемпературной плазмы объясняется тем, что они используются в технологических целях и обладают рядом достоинств. Режимами горения разряда можно легко управлять изменением концентрации и состава электролита [3, 4 и др.]. Обработка изделий с помощью плазмы разряда между металлическим и электролитическим электродами возможна, когда другие методы более трудоемки, более дороги или их невозможно применять по другим причинам (например, экологическим). Благоприятное сочетание высокой температуры нагрева и элементов электролита в возбужденном и ионизованном состояниях позволяет осуществлять нагрев металла и сплавов в электролите, электротермическую обработку материалов [5, 6 и др.]. Парогазовые разряды с электролитическими электродами может использоваться в плазменной технологии нанесения теплозащитных, противокорозийных, антифрикционных, и диэлектрических покрытий [7, 8 и др.].

Парогазовые разряды между металлическим и электролитическим электродами, а также между электролитическим электродами представляют практический интерес как генераторы неравновесной плазмы с большим отрывом электронной температуры от температуры тяжёлых частиц. Низкотемпературная плазма с указанными свойствами имеет множество эффектов полезных с точки зрения технологических применений: очистка и полировка металлических поверхностей; одностадийность получения мелкодисперсного порошка из углеродистых и инструментальных сталей при атмосферном давлении; синтез органических соединений в растворах электролитов и др. Область применения разряда между металлическим и электролитическим электродами расширяется. В последние годы определились новые перспективные направления применения парогазового разряда между металлическим и жидким электродами в плазмохимии, электронике и машиностроении.

Парогазовые разряды между металлическим и электролитическим электродами, являются полезными не только с точки зрения технологических применений, но и имеют важное значение для изучения физических явлений. Парогазовые разряды между металлическим и электролитическим катодом отличаются особой устойчивостью. Они имеют стабильную диффузную структуру даже при атмосферном давлении. Несмотря на все вышеуказанные достоинства, физика парогазового разряда между металлическим и электролитическим электродами изучена слабо: до сих пор неустановлены основные виды парогазовых разрядов с нетрадиционными электродами (непроточные и проточные электролиты), нет также единого мнения о природе такого разряда, неустановлен механизм парогазового разряда между металлическим анодом и электролитическим катодом. Далеко не исчерпаны различные способы и варианты получения источников низкотемпературной плазмы парогазовых разрядов с электролитическими электродами. Всё это задерживает разработку плазменных установок и новых технологических процессов с использованием парогазовых разрядов с нетрадиционными электродами и их внедрение в производство.

Поэтому исследования характеристик парогазового разряда между металлическим и жидким (непроточные и проточные электролиты) электродами представляют собой актуальную задачу. Данная диссертация, состоящая из четырёх глав, посвящена решению этих задач.

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

Во второй главе приведены описания экспериментальной установки. Представлена функциональная схема экспериментального комплекса для получения исследования парогазового разряда между электролитическим и металлическим электродами.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований парогазового разряда между металлическим и жидким (непроточные и проточные электролиты) электродами при атмосферном и пониженных давлениях: структуры ВАХ парогазового разряда и падение напряжения в электролитах; плотности тока на электролитическом и металлическом электродах; распределение потенциала и напряженности электрического поля; катодное и анодное падения потенциала; обобщённые вольт - амперные характеристики разряда между металлическим анодом и электролитическим катодом; характеристики парогазового разряда в системе: " струя электролита - металлический электрод"; механизм парогазового разряда между жидким неметаллическим катодом и металлическим анодом; основные виды парогазовых разрядов и установлен их взаимный переход.

В четвёртой главе приведены устройства для получения парогазовых разрядов между металлическим и жидким (проточные и непроточные электролиты) электродами и их практическое применение: устройство для получения тлеющего разряда за счёт управления процессами, протекающими в катодной области парогазового разряда переменного тока между электролитическим и металлическим электродами; устройство для получения тлеющего разряда со сплошным пятном на электролитическом катоде и металлическом аноде при атмосферном давлении; устройство для обработки внутренней поверхности цилиндрических каналов металлических изделий; устройство для очистки воды и стерилизации инструментов.

На защиту выносятся следующие научные положения и выводы: 1. Результаты экспериментального исследования структуры, ВАХ, плотности тока на электролитическом катоде и металлическом аноде, 9 распределения потенциала и напряженности электрического поля, катодное и анодное падения потенциала тлеющего разряда со сплошными пятнами на электролитическом катоде (непроточные) и металлическом аноде для различной геометрической формы в парогазовой среде при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях.

2. Результаты экспериментального исследования структуры, В АХ парогазового разряда в системе: «струя электролита - металлический электрод» и влияния на характеристики парогазового разряда величин тока, диаметра и длины струи, расхода, состава, концентрации и полярности электролитов.

3. Результаты обобщения В АХ парогазового разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных и атмосферном давлениях.

4. Основные виды парогазовых разрядов между жидким катодом (непроточные и проточные) и металлическим анодом при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях и их взаимный переход и физические процессы, которые определяют механизм поддержания парогазового разряда.

5. Устройства для получения парогазового разряда, выпрямления переменного тока, обработки внутренней поверхности цилиндрических каналов металлических изделий и очистки воды и инструментов.

Выводы

1. Создана экспериментальная установка для исследования характеристик парогазового разряда между металлическим (различные геометрические формы) и электролитическим (непроточные и проточные) электродами в широком диапазоне давления от 2660 до 100000 Па, межэлектродного расстояния от 0,1 до 15 мм и тока разряда от 20 до 3000 мА.

2. Экспериментально исследованы структуры, ВАХ тлеющего разряда между металлическим анодом и жидким катодом (непроточные) при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях. Показано, что в тлеющем разряде со сплошным пятном на катоде и аноде ВАХ возрастающие. Выявлено, что плотность тока на электролитическом катоде существенно зависит от тока, межэлектродного расстояния, состава и концентрации электролита. Зависимость плотности тока на электролитическом катоде от тока разряда носит немонотонный характер, который связан особенностями расширения катодного пятна на электролите. Установлен неоднородный характер распределения потенциала и напряженности электрического поля при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях. Определены величины катодного и анодного падения потенциала. Обнаружено влияние геометрической формы, материала и состояния металлического анода на характеристики тлеющего разряда с электролитическим катодом.

3. Экспериментально исследованы структуры и ВАХ парогазового разряда в системе: «струя электролита - металлический электрод». На основе изучения развития парогазового разряда между металлическим электродом и струёй электролита установлено существенное влияние на поддержание разряда диаметра и длины струи, тока, расхода, состава, концентрации и полярности электролита. Выявлено два вида многоканального разряда: конусообразные каналы и микроканалы.

4. Проанализированы и обобщены ВАХ парогазового разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженных и атмосферном давлениях. Получены формулы, позволяющие рассчитать напряжение разряда. Максимальное среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений напряжения разряда от расчетных значений, полученных по данным формулам, составляет 10-20%. Поэтому их можно рекомендовать для расчета плазменных установок с электролитическими катодами.

5. Выявлены основные виды свободных парогазовых разрядов между металлическим анодом и жидким катодом (непроточные и проточные) при атмосферном давлении: тлеющий разряд со сплошными пятнами на жидком катоде и металлическом аноде; тлеющий разряд точечным пятном на металлическом аноде и распределенными пятнами на жидком катоде; неустойчивый парогазовый разряд точечным пятном на металлическом аноде, контрагированным плазменным столбом и распределёнными пятнами на жидком катоде, многоканальный разряд с распределёнными пятнами на жидком катоде и точечными пятнами на металлическим аноде (конусообразные каналы); многоканальный разряд с распределёнными пятнами на металлическом аноде и распределёнными пятнами на жидком катоде (микроканалы) и установлен взаимный переход.

6. Анализ экспериментальных результатов позволили выявить основные физические процессы, которые определяют механизм поддержания парогазового разряда.

7. Установлено, что парогазовые разряды при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях отличаются особой устойчивостью и стабильностью диффузной структуры, а также эффективной технологией обработки поверхности металлического анода и жидкого неметаллического катода:

1. Энгель А., Штеенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах, т.П: Пер. с нем. / Под ред. Капцова Н.А. -М: -Л.: ОНТИ, 1936.

2. Леб Л. Основные процессы разрядов в газах: Пер. с англ. / Под ред. Капцова Н.А. -М: -Л.: Гостехиздат, 1950. -672 с.

3. Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме. -Изд. 2-е. -М.: -Л.: Гостехиздат, 1950. -836 с.

4. Капцов Н.А. Электроника. -М.: Гостехиздат, 1956. -459.

5. Энгель А. Ионизованные газы. -М: Физматгиз. 1959. -332.

6. Мик Дж. Крэгс Дж. Электрический пробой в газах. -М.: ИЛ, 1960. -601 с.

7. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. -М.: Госатомиздат, 1961. -323 с.

8. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. -М.: Мир, 1968. -390 с.

9. Грановский В.Л. Электрический ток в газе / установившийся ток /. -М: Наука, 1971. -544 с.

10. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа. -М.: Наука, 1972.

11. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. -М.: Наука, 1980. -416 с.

12. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. -М.: Наука, 1987. -591 с.

13. Ховатсон A.M. Введение в теорию газового разряда: Пер. с англ. Иванчика И.И. -М.: Атомиздат, 1980.

14. Гайсин Ф.М. Дисс. на соискание уч. степени д.ф.м.н. "Физические процессы в газовых разрядах с твёрдыми, жидкими и плазменными электродами". М: 1992.

15. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Возникновение и развитие объёмного разряда между твёрдыми и жидкими электродами. // Химия плазмы. Под ред. Смирнова Б.М. -М.: 1990. Т. 16. С. 120-156.

16. Гайсин Ф.М., Сон Э.Е. Электрофизические процессы в разрядах с твёрдым и17