2
Содержание
Принятые обозначения и сокращения................................... 5
Введение............................................................. 6
Глава 1 Обзор исследований и применений электрических разрядов
между металлическим и электролитическим электродами.... 13
1.1 Исследования электрических разрядов между
металлическим и электролитическим электродами............. 13
1.2 Характеристики электрических разрядов между
металлическим и электролитическим электродами............. 16
1.3 Особенности применений электрических разрядов между
металлическим и электролитическим электродами............. 25
1.4 Постановка задачи исследований............................ 27
Глава 2 Экспериментальная установка для исследования
электрического разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях и методики измерений................................................. 39
2.1 Структурная схема экспериментальной установки............. 39
2.2 Система электропитания электрического разряда............. 40
2.3 Разрядная камера и система регулирования и контроля
давления.................................................. 41
2.4 Электролитическая ванна и система циркуляции
электролита............................................... 42
3
2.5 Измерительная аппаратура. Методика проведения
экспериментов и оценка точности измерений................. 43
Глава 3 Результаты экспериментальных исследований электрического разряда между проточным
электролитическим катодом и металлическим анодом 53
3.1 Пробой межэлектродного промежутка при атмосферном и пониженных давлениях.......................................... 53
3.2 Структуры и особенности протекания электрических разрядов между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях..................................................... 54
3.3 Плотности тока на металлическом аноде и проточном электролитическом катоде...................................... 57
3.4 Распределение потенциала в электролите. Падение напряжения в электролите. Вольтамперные характеристики электролита................................................... 59
3.5 Вольтамперные характеристики электрического разряда при атмосферном и пониженных давлениях............................ 60
3.6 Обобщение вольтамперных характеристик электрического разряда....................................................... 61
3.7 Распределения потенциала и напряженности электрического поля разряда.................................................. 63
3.8 Пульсации тока и напряжения электрического разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях..................................................... 65
4
Глава 4 Устройство и методики получения наноразмерных порошков никеля и оксида железа с применением электрического разряда между проточным
электролитическим катодом и металлическим анодом 89
4.1 Устройство для получения наноразмерных порошков
никеля и оксида железа................................... 89
4.2 Методика получения порошков никеля и оксида железа 91
4.3 Характеристики получаемых порошков никеля и оксида железа............................................... 98
Выводы............................................................. 103
Список использованной литературы................................... 105
5
Принятые обозначения и сокращения
1 - сила тока разряда и - напряжение разряда 11эл~ падение напряжения в электролите иПР - напряжение зажигания разряда у'л - плотность тока на аноде у/с - плотность тока на катоде с1А - диаметр металлического анода & - площадь анодного пятна б’/с - площадь катодного пятна / - межэлекгроднос расстояние 1д- действительное межэлектродное расстояние И - глубина погружения зонда в электролит
Нпл - глубина погружения токоподводящей пластины в электролит Р - давление в разрядной камере V - скорость течения электролита С - концентрация электролита
Сокращения
ВАХ - вольтамперная характеристика АТР - аномальный тлеющий разряд МР - многоканальный разряд ПС - плазменный столб ВЧ - высокочастотный
6
Введение
Порошковые материалы на основе чистых металлов и их оксидов находят широкое применение в различных отраслях промышленности: металлургии, машиностроении, электроэнергетике, химической промышленности и т.д. Прогресс в любой отрасли базируется сегодня на новых материалах, способных обеспечить высокие эксплуатационные характеристики и надежную работу оборудования. Поэтому разработка более простых, дешевых и эффективных методов получения порошковых материалов с заданным уровнем технологических характеристик становится всё более актуальной задачей.
Одним из перспективных способов получения порошковых материалов является распыление металлических электродов плазмой электрического разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом. Исследованию электрических разрядов между металлическим и проточным электролитическим электродами в последние годы уделяется большое внимание. Интерес к таким разрядам объясняется тем, что их применение в технологических процессах дает ряд преимуществ. Режимами горения разряда можно легко управлять изменением концентрации и состава проточного электролита. Обработка изделий с помощью плазмы электрического разряда между металлическим и проточным электролитическим электродами возможна тогда, когда другие методы более трудоемки, более дороги или их невозможно применять по ряду других причин (например, по экологическим причинам).
Электрические разряды между металлическим и электролитическим электродами уже применяются в настоящее время для очистки и полировки металлических поверхностей; нанесения теплозащитных и антикоррозийных покрытий, синтеза органических соединений в растворах электролитов, нагрев металла и сплавов в электролите и др.
7
Однако, в настоящее время, электрические разряды между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом изучены недостаточно, слабо изучено взаимодействие неравновесной плазмы электрического разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом с поверхностями материалов при пониженных давлениях. Всё это сдерживает разработку плазменных установок с использованием электрического разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом и внедрение этих установок в производство.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной задачи исследования электрических разрядов между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях в процессах получения порошковых материалов с размерами частиц в диапазоне 50 - 1000 нм.
В диссертации изложены результаты работы автора в период 2008 -2012 г.г. по исследованию электрических разрядов между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях и их применению для получения порошковых материалов никеля и оксида железа.
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» на кафедре «Техническая физика».
Целью диссертационной работы является установление характеристик и закономерностей физических процессов, протекающих в электрическом разряде между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном и пониженных давлениях и создание на их основе устройств для практического применения в плазменной технике и технологии.
8
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать и создать экспериментальную установку для
исследования электрического разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом.
2. На базе созданной экспериментальной установки провести исследования электрического разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом в диапазоне напряжения /7=50+4000 В, тока разряда /=0,01-НО А, давления Р = 2-И00 кПа, межэлектродного
расстояния / = 0,5-Н00 мм и скорости течения электролита V = 0+0,5 м/с.
3. На основе проведенных экспериментальных исследований изучить развитие и структуры электрического разряда, вольтамперные
характеристики (ВАХ), распределения потенциала в проточном
электролитическом катоде, распределения потенциала и напряженности электрического поля в электрическом разряде, плотности тока на проточном электролитическом катоде и металлическом аноде, пульсации тока и напряжения разряда в широком диапазоне параметров (/, /, Р, I, V.
4. Обобщить вольтамперные характеристики электрического разряда между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом в широком диапазоне параметров Ь\ /, Р, /.
5. Разработать методику получения наноразмерных порошков никеля и оксида железа при пониженном давлении.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применены современные методики исследований и измерительные приборы.
При определении свойств и характеристик получаемых порошков использовались стандартные методики измерения физико-механических свойств материалов, электронная микроскопия, металлографические исследования.
9
Результаты измерений и исследований обрабатывались с применением методов математической статистики. Погрешность результатов оценивалась с доверительной вероятностью 0,95.
Научная новизна заключается в следующем:
В результате экспериментальных исследований установлены особенности и характеристики электрических разрядов между металлическим анодом (сталь 45, никель НО) и проточным электролитическим катодом (техническая вода, растворы NaCl и CuS04 в технической и очищенной воде):
- отклонение напряжения электрического пробоя от обобщенной кривой Пашена в диапазоне давлений Р — 2+100 кПа;
- искажение структуры катодных пятен под действием течения электролита;
- появление темного пространства со стороны катодного пятна при угле конусности разряда а « 120°;
- выполнения закона Геля для анода в интервале I = 1+4 А, а для электролитического катода /= 1+1,5 А;
- переход АТР в МР при атмосферном и пониженных давлениях;
- распределение потенциала и напряженности электрического поля при переходе АТР в МР;
- увеличение коэффициента пульсации тока при переходе АТР в МР;
- увеличение коэффициента пульсаций тока разряда с уменьшением давления в диапазоне давлений Р = 2+100 кПа.
Практическая ценность. Результаты исследования служат основой для понимания физических процессов, происходящих в электрическом разряде между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при пониженном давлении. Результаты обобщения ВАХ можно использовать для расчета режимов работы плазменных установок с проточными
электролитическими катодами в широком диапазоне тока и напряжения разряда, давления и межэлектродного расстояния. Разработаны методики
- Київ+380960830922