2
Содержание
Введение
Актуальность темы...................................................5
Постановка задачи...................................................6
Новизна работы......................................................7
Положения, выносимые на защиту......................................9
1. Обзор литературы по теме диссертации
1.1. Введение к главе...............................................10
1.2. Обзор литературы по физике разряда в жидкости..................15
1.2.1. Предварительный обзор существующих работ....................15
1.3. Углеродные наноструктуры и существующие методы их получения.
1.3.1. Типы углеродных наноструктур и развитие методик их получения..21
1.3.2. Анализ возможностей применения разрядов в жидкости для синтеза и обработки наноматериалов........................................25
2. Исследование импульсного высоковольтною разряда в проводящей жидкости
2.1. Введение к главе...............................................28
2.2. Экспериментальное исследование электрического разряда в проводящей жидкости.
2.2.1. Экспериментальная установка и описание форм и стадий разряда в проводящей жидкости.........................................28
2.2.2. Исследование предпробойной стадии разряда................34
2.2.3. Экспериментальное исследование стадии «короны» при различных внешних параметрах................................38
2.3. Изучение «искры» при различных внешних параметрах............47
2.4. Обсуждение и анализ полученных результатов.
2.4.1. Анализ механизмов возникновения «мертвого» времени
54
2.4.2.Оценки для температуры в искровом канале
59
3. Импульсный высоковольтный разряд в трубке Вентури и его свойства.
3.1. Экспериментальная установка,анализ ее электрических характеристик.68
4. Эксперименты но модификации и дроблению конгломератов наночастиц при помощи импульсного высоковольтного разряда в потоке жидкости в трубке Вентури.
4.1. Введение к главе...........................................77
4.1.1. Эксперименты по разделению водной суспензии, содержащей детонационные наноалмазы и неалмазный материал..........77
4.1.2. Эксперименты по дроблению окиси циркония при помощи импульсного высоковольтного разряда в трубке Вентури....83
4.2 Анализ основных факторов воздействия импульсного электрического разряда в проводящей жидкости на процесс модификации и дробления конгломератов наночастиц.........................................96
4.2.1. Модель образования ударных волн при прохождении плазменного образования во время импульсного коронного разряда в потоке жидкости в трубке Вентури...............................98
4.2.2. Оценка разрыва поликристалла в сильном электрическом поле вблизи острия плазменного образования во время прохождения импульсного высоковольтного разряда в потоке жидкости в трубке Вентури.....................................................100
5.3аключение.
5.1.Основные результаты и выводы..............................103
б.Снисок литературы.............................................105
4
Введение.
Актуальность темы, постановка задачи и новизна
результатов.
Актуальность темы.
Разрядные явления в жидких проводниках и диэлектриках изучаются многими группами ученых уже на протяжении столетия. Начиная с 1980-1990 годов, в связи бурным развитием науки о наноматериалах, наблюдается резкий рост числа работ посвященных исследованию процессов получения и функционализации наночастиц при помощи импульсных высоковольтных разрядов [1-3] в жидкости.
Возросший интерес к данной тематике связан с тем, что производство, модификация и дробление наночастиц при помощи разрядов в жидкости имеет ряд преимуществ. Во-первых, в отличие от случая производства в газовых средах, во время которого, за счет высокой поверхностной энергии наночастицы слипаются в конгломераты, образуя Ван-дер-ваальсовы связи, при производстве и модификации в жидких средах наночастицы защищены с помощью жидкости от мгновенного слипания и как следствие этого имеют существенно большее. Во-вторых, многие биологические и электрохимические процессы, в которых используются наноматериалы, обязательно протекают в жидкости (воде, масле и.т.д.). В-третьих, при протекании разрядов в жидкости образуются мощные ударные волны, сильные градиенты температуры и активные частицы, которые могут оказаться существенными при производстве, дроблении и модификации наноматериалов.
Хотя, к настоящему времени накоплен большой объем
экспериментальной информации о различных формах разряда в жидкости,
детальное понимание процессов, определяющих ключевые стадии развития
импульсных разрядов, необходимое для поиска подходов к созданию
5
промышленных систем дробления и модификации наноматериалов с использованием разрядов в жидкостях отсутствует. Кроме того, большая часть работ проделана с использованием простейших способов организации разрядов (например, конденсатор, разряжающийся на систему плоскость-игла) работающих в режиме однократных (редко с частотой до 10 Гц) импульсов, которые обладают низкой энергетической эффективностью и представляют ограниченный практический интерес. Стоит заметить, что, например, при увеличении частоты следования импульсов уже до нескольких десятков Гц появляется необходимость удалять газофазные продукты из зоны разряда, так как их присутствие в непосредственной близости от пробоя радикально меняет тин разряда и его свойства. Для того чтобы в полной мере использовать возможности, которые открывает метод дробления материалов при помощи импульсного высоковольтного разряда в жидких средах необходим поиск новых подходов, позволяющих достичь энергоэффективности, частоты повторения импульсов и других параметров, дающих возможность использования импульсного высоковольтного разряда в промышленности.
Таким образом, метод связанный с разрядами в жидкости является актуальным и перспективным для использования в ряде отраслей промышленности, но необходимо детальное понимание процессов определяющих различные стадии разряда и условий их перехода друг в друга. Кроме того, необходим качественно новый подход к созданию разрядной системы.
Постановка задачи.
Именно по этой причине главной задачей настоящей работы является экспериментальное изучение процессов, определяющих основные стадии и свойства импульсного высоковольтного разряда в проводящей жидкости и поиск оптимизированной геометрии, которая дает возможность радикального
6
увеличения частоты следования импульсов и оптимизации энергозатрат на проведение процессов дробления наноматериалов.
Для этого необходимо:
• На основании обзора существующей литературы выделить основные параметры, влияющие на протекание импульсного высоковольтного разряда в проводящей жидкости, а также экспериментально изучить это влияние на форму и ключевые характеристики разряда.
• Провести анализ основных факторов воздействия импульсного
электрического разряда в проводящей жидкости на процесс
модификации и дробления наноматериала.
• Найти оптимальный тип и параметры разряда (геометрия, скорость протока жидкости, давление, приложенное напряжение, проводимость воды) для модификации и дробления конгломератов наночастиц.
• Провести экспериментальное исследование процесса дробления и
функционализации различных типов конгломератов наночастиц (поликристаллической окиси циркония, а также детонационных наноалмазов, покрытых неалмазным материалом).
• Определить время, энергетическую стоимость получения единицы поверхности в случае дробления наночастиц при помощи импульсного высоковольтного разряда, а также используя полученные
характеристики сравнить эффективность данного метода с другими способами дробления.
Новизна работы.
В работе впервые:
• Установлены зависимости пикового тока и средней скорости распространения плазменного канала в проводящей жидкости в режиме одиночных импульсов для случая коронного разряда от межэлектродного расстояния (8-18 мм), проводимости воды 10-800 мкСм/см, для давления 0,02 - 1 атм. и приложенного напряжения (17-22 кВ), а также зависимость минимального и максимального предпробойного
7
времени от проводимости. В исследуемом диапазоне установлено отсутствие зависимости предпробойного времени от давления.
• Предложена полу количественная модель, объясняющая причину возникновения времени задержки начала пробоя в условиях эксперимента. Результаты моделирования находятся в хорошем соответствии с результатами эксперимента.
• Экспериментально исследована зависимость доли случаев перехода короны в искру для межэлектродного расстояния (2-20 мм) и частоты следования импульсов 1-20 Гц. Установлено, что увеличение частоты следования импульсов с 1 до 20 Гц увеличивает вероятность перехода короны в искру.
• Предложен и экспериментально исследован новый тип разряда в потоке проводящей жидкости в геометрии трубки Вентури, обеспечивающий высокую среднюю скорость распространения плазменного канала (порядка 5 км/с), мощность энерговыделения в разряд и частоту ( 5 кГц ) повторения импульсов короны. Установлен диапазон проводимости (100-800 мкСм/см) жидкости, обеспечивающей эффективную передачу энергии ог источника питания разряду.
• Экспериментально исследован эффект дробления материалов (поли кристаллической окиси циркония, наноразмерных алмазо-углеродных конгломератов) при помощи импульсного высоковольтного разряда в трубке Вентури. Получены зависимости распределения наночастиц от времени обработки суспензии разрядом. Показано, что наиболее вероятным механизмом дробления является взаимодействие материала с ударными волнами, генерируемыми разрядом.
Полученные в работе экспериментальные данные могут быть использованы при проектировании и производстве установок по «мокрому» дроблению и функционализации наночастиц в жидкости, кроме того полученный новый тип разряда в геометрии Вентури может найти самые разные применения (например, очистка воды) в различных плазмохимических процессах.
8
Положения выносимые на защиту
Автор защищает:
• Зависимости пикового тока и средней скорости распространения плазменного канала в проводящей жидкости от межэлектродного расстояния (8-18 мм), проводимости воды 10-800 мкСм/см, для давления 0,02 - 1 атм. и приложенного напряжения (17-22 кВ), а также зависимость минимального и максимального предпробойного времени от проводимости. В исследуемом диапазоне установлено отсутствие зависимости предпробойного времени от давления.
• Полуколичественную модель, объясняющую причину возникновения времени задержки начала пробоя в условиях эксперимента.
• Зависимость доли случаев перехода короны в искру для межэлектродного расстояния (2-20 мм) и частоты следования импульсов 1-20 Гц. Установлено, что увеличение частоты следования импульсов с 1 до 20 Гц увеличивает вероятность перехода короны в искру.
• Новый тип разряда в потоке проводящей жидкости в геометрии трубки Вентури, обеспечивающий высокую среднюю скорость распространения плазменного канала (порядка 5 км/с), мощность энерговыделения в разряд (более 90%) и рекордную частот)' (5 кГц) повторения импульсов короны. Установлен диапазон проводимости (100-800 мкСм/см) жидкости, обеспечивающей эффективную передачу энергии от источника питания разряду.
• Эффект дробления материалов (поликристаллической окиси циркония, наноразмерных алмазо-углеродных конгломератов) при помощи импульсного высоковольтного разряда в трубке Вентури. Зависимости распределения наночастиц от времени обработки суспензии разрядом. Установлено, что наиболее вероятным механизмом дробления является взаимодействие материала с ударными волнами, генерируемыми разрядом.
9
- Київ+380960830922