Содержание
Принятые обозначения п Введение 5 6
Глава 1. Современное состояние исследований электрического разряда в газе между металлическим и электролитическим
электродами 12
1.1. Зажигание электрического разряда между твердым и
электролитическим электродами 12
1.2. Особенности горения электрического разряда между
электролитическим катодом и твердым анодом 15
1.3. Некоторые особенности электрического разряда между
электролитическим анодом и твердым катодом 33
1.4. Электрический разряд между струйным электролитическим и
твердым электродами 35
1.5. Практическое применение электрического разряда между
электролитическим и твердым электродами 40
1.6. Цели и задачи диссертации 46
Глава 2. Экспериментальная установка и методика измерений 49
2.1. Функциональная схема экспериментальной плазменной
установки при пониженных давлениях 49
2.2. Высоковольтная экспериментальная установка (выходное
напряжение до 4000 В и при токе 10 А) 52
2.3. Высоковольтная экспериментальная установка (выходное
напряжение 1500 В и при токе 2 А) 55
2.4. Вакуумная система экспериментальной установки 58
2.5. Разрядная камера с электролитической ванной 60
2.6. Измерительная аппаратура и методика проведения
экспериментов, и оценка точности измерений 62
2
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим
катодом и твердым анодом при пониженных давлениях 65
3.1. Особенности электрического пробоя вдоль струйного
электролитического катода 65
3.2. Формы МР и АТР между струйным электролитическим
катодом и твердым анодом 70
3.3. Вольтамперные характеристики аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом (растворы NaCl, NaHC03, NH,C1 в технической воде) и твердым анодом (медь Ml, сталь Х18Н9Т, алюминий АМЦ40,
эбонит) 74
3.3.1. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом из хлорида натрия (NaCl) в
технической воде и медным анодом 75
3.3.2. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом из гидрокарбоната натрия
(NaHCOO в технической воде и медным анодом 77
3.3.3. ВАХ аномального тлеющего разряда между электролитическим катодом из хлористого аммония (NH4C1) в
технической воде и медным анодом 80
3.3.4. ВАХ аномального тлеющего разряда между струйным электролитическим катодом из хлорида натрия (NaCl) и
анодом из эбонита 81
3.4. Формы и характеристики аномального тлеющего разряда между капельным электролитическим катодом и медным
анодом 83
3.5. Распределение потенциала и напряженности электрического
поля вдоль струйного электролитического катода 84
з
3.6. 3.7. Распределения значения плотности вероятности тока АТР .. Колебания тока электрического разряда между струйным электролитическим катодом и медным анодом 86 87
Глава 4. Устройство для получения электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом и методики локальной, струйной, одновременной очистки и полировки, и повышения твердости поверхности твердых тел (медь МІ, сталь Х18Н9Т, алюминий
ЛМЦ40, эбонит) при пониженных давлениях 92
4.1. Устройство для получения электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и
твердым анодом при пониженных давлениях 92
4.2. Методика локальной, струйной, одновременной очистки и полировки поверхности меди М1 и стати Х18Н9Т многоканальным разрядом, аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и
металлическим анодом при пониженных давлениях 94
4.3. Методика локального, струйного повышения твердости поверхности аномальным тлеющим разрядом между струйным электролитическим катодом и металлическим анодом (медь М1, алюминий АМЦ40) при пониженных
давлениях 95
4.4. Уравнение регрессии для нахождения оптимальных режимов локальной, струйной очистки с одновременной полировкой
поверхности меди при пониженном давлении 97
Выводы 99
Список использованной литературы 101
Примечание 112
4
Принятые обозначения
I - сила тока разряда;
U - напряжение разряда;
Р - давление; и- скорость струи;
G - расход электролита;
dc - диаметр струи электролита;
dK - диаметр капли электролита;
/с - длина струи электролита;
/к ~ расстояние от конца металлической или диэлектрической трубки до поверхности твердого тела.
Сокращения
ЭР - электрический разряд
ВАХ - вольтамперная характеристика;
МР - многоканальный разряд;
АТР - аномальный тлеющий разряд;
ТР - тлеющий разряд;
ОТС - отрицательное тлеющее свечение.
5
ВВЕДЕНИЕ
Электрические разряды в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо [1-17 и др.]. Одним из новых способов получения низкотемпературной плазмы является использование электрического разряда между металлическим и электролитическим электродами [18-47]. В настоящее время такие разряды используются в плазменной технологии. Большое внимание уделяется разработке новых эффективных методов для очистки, полировки, а также для нагрева металлов, нанесения покрытий с данными свойствами на поверхности различных материалов.
Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к качеству металлов и сплавов. В настоящее время возможности очистки металлов и сплавов с использованием традиционных методов обработки: механических, химических практически исчерпаны. Эти методы имеют ряд недостатков: низкая производительность, качество и точность обработки поверхности; повышенную энергоемкость и экологическую вредность технологии; необходимость применения специальных мер для удаления отходов; высокую стоимость расходного материала, что приводит к снижению конкурентоспособности продукции. В связи с этим возникает задача разработки новых технологических процессов очистки поверхности металлов и сплавов. Перспективным направлением ее решения является использование высокоэнергетических методов: лазерных, плазменных и электронно-лучевых. Они позволяют экономить сырье и реактивы, повышают производительность труда, улучшают качество поверхности обрабатываемого материала и дают возможность получать материалы с новыми физико-механическими свойствами. Одной из перспективных технологий в области очистки поверхности металлов и сплавов является ее обработка низкотемпературной плазмой электрического разряда. Интерес к плазменным разрядам с жидким электродом для использования в
технологических целях заключается в том, что в нем сочетаются свойства двух технологий: химической и плазменной.
Использование неравновесной плазмы многоканального разряда (МР) часто обеспечивает повышение эффективности многих технологических процессов, таких как плазмохимическое формирование поверхностей с заданными свойствами на различных материалах.
Однако возможности технологических применений генераторов плазмы с струйным электролитическими электродами еще мало изучены. Актуальность исследований в этом направлении обуславливается целым рядом причин: дешевизной, высокой степенью чистоты технологических процессов с применением неравновесной плазмы парогазового разряда с электролитными электродами и др.
В настоящее время практически отсутствуют экспериментальные исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Существующие устройства и способы получения парогазового разряда с электролитическими электродами имеют ограниченные возможности. Не изучены характеристики и физические процессы на границе раздела струйного электролитического катода и твердого анода при пониженных давлениях. Взаимодействие плазмы струйного электролитического катода с поверхностью твердого тела при пониженных давлениях остается практически неисследованным. Все это задерживает разработку генераторов электрического разряда с электролитическими электродами для практических применений. В связи с вышеизложенным экспериментальное исследование электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях является актуальной задачей.
Данная диссертационная работа, состоящая из трех глав, посвящена решению этих задач.
В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов, горящих между
электролитическим и твердым электродами, а также обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе описываются экспериментальные установки для получения и исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом для различных
межэлектродных расстояний при пониженных давлениях. Система
электрического питания предназначена для обеспечения электролитической ячейки и вспомогательного оборудования электролитической энергией. Вакуумная система состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса и вакуумной арматуры. Электролитическая ячейка заполняется исследуемыми электролитами необходимой концентрации. Здесь же приводятся
измерительная аппаратура, методика проведения экспериментов и оценка точности измерений.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных
исследований характеристик и особенности электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях. Приведены результаты электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода при пониженных давлениях. Представлены формы электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом (металл и диэлектрик). Установлен переход многоканального разряда в тлеющий разряд при пониженных давлениях. Приведены результаты исследования вольтамперных характеристик
электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом в широком диапазоне давления. Представлены распределения потенциала и напряженности электрического поля вдоль струйного электрического катода в многоканальном и тлеющих разрядах при пониженных давлениях. Приведена функция распределения значения
плотности вероятности тока АТР. Представлены результаты исследования колебания напряжения и тока многоканального и тлеющего разрядов при пониженных давлениях.
В четвертой главе на основе полученных результатов разработаны и созданы устройства для получения электрического разряда между струйным (капельным) электролитическим катодом и твердым анодом и методики локальной, струйной, одновременной очистки и полировки, и повышения твердости поверхности твердых тел (медь Ml, сталь Х18Н9Т, алюминий АМЦ40, эбонит) при пониженных давлениях.
Получена регрессивная зависимость локальной очистки с одновременной полировкой поверхности материалов и изделий от условий технологического процесса при пониженных давлениях.
Научная ноЕшзна исследований:
В результате экспериментального исследования установлены развитие электрического пробоя, формы, особенности и характеристики ЭР при Р= 103-ь8,9-104 Па:
развитие электрического пробоя, как со стороны струйного, электролитического катода, так и от плоского медного анода;
увеличение величины напряжения пробоя с ростом длины струйного электролитического катода и давления;
влияние характера течения и состояния струи (капельный, расщепленный, кипящий и пористый) на структуры, формы и пульсации тока МР и АТР;
развитие электролитно-плазменной капли;
горение аномального тлеющего разряда в однородных участках и многоканального разряда в расщепленных участках струи при переходе МР в АТР или наоборот;
переход МР в АТР при Р < 6,8-104 Па;
- Киев+380960830922