Рассмотрены особенности электрического пробоя вдоль струйного электролитического катода, формы многоканального разряда и аномального тлеющего разряда между струйным, капельным и пористым электролитическим катодом и твердым анодом, а также между струйным электролитическим анодом и струйным электролитическим катодом. <...> Особое внимание уделено изучению механизма горения многоканального разряда при пониженных давлениях и разработке на его основе новых технологий модификации поверхности материалов и изделий. <...> Впервые представлены результаты экспериментального исследования высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕР) между электролитическим и металлическим электродами со струей электролита в широком диапазоне давления. <...> Ф., Абдуллин И. Ш., 2013 © Казанский национальный исследовательский технологический университет , 2013 - 2 - ПРЕДИСЛОВИЕ 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 [18-107 и др.] <...> 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. <...> Актуальность исследований в этом направлении обусловливается целым рядом причин, среди которых дешевизна, высокая степень чистоты технологических процессов с применением неравновесной плазмы парогазового разряда с электролитными электродами и др. <...> В настоящее время практически отсутствуют экспериментальные исследования электрического разряда постоянного и ВЧЕ-тока 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 физические <...>
Электрические_разряды_постоянного_и_высокочастотного_тока_с_проточными_и_непроточными_электролитическими_электродами_в_процессах_модификации_материалов_и_изделий_при_пониженных_давлениях.pdf
УДК 533.9
ББК 30.3:31.29
Электрические разряды постоянного и высокочастотного тока с
проточными и непроточными электролитическими электродами в процессах
модификации материалов и изделий при пониженных давлениях : монография /
Ал. Ф. Гайсин, И. Ш. Абдуллин; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед.
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2013. – 188 с.
ISBN 978-5-7882-1582-2
В монографии систематизированы и обобщены результаты
экспериментальных и теоретических исследований электрических разрядов
постоянного и высокочастотного тока со струйными электролитическими
электродами в процессах модификации материалов и изделий при пониженных
давлениях. Рассмотрены особенности электрического пробоя вдоль струйного
электролитического катода, формы многоканального разряда и аномального
тлеющего разряда между струйным, капельным и пористым электролитическим
катодом и твердым анодом, а также между струйным электролитическим анодом и
струйным электролитическим катодом. Особое внимание уделено изучению
механизма горения многоканального разряда при пониженных давлениях и
разработке на его основе новых технологий модификации поверхности материалов
и изделий.
Впервые представлены результаты экспериментального исследования
высокочастотного емкостного разряда (ВЧЕР) между электролитическим и
металлическим электродами со струей электролита в широком диапазоне давления.
Приведена математическая модель высокочастотной плазменной обработки
твердых тел при пониженном давлении.
Предназначена для широкого круга научных работников и специалистов,
занимающихся вопросами физики и техники низкотемпературной плазмы,
преподавателей, инженеров-технологов, аспирантов, магистров и бакалавров вузов.
Рецензенты: д-р. техн. наук, проф. В.В. Кудинов
(Институт материаловедения и металлургии
им. А.А. Байкова);
д-р. техн. наук, проф. Р.Р. Зиганшин
(зам. ген. директора по научно-техническому развитию
ОАО «Вакууммаш»)
ISBN 978-5-7882-1582-2 © Гайсин Ал. Ф., Абдуллин И. Ш., 2013
© Казанский национальный исследовательский
технологический университет , 2013
- 2 -
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ............................................................................................................. 3
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ГАЗЕ
МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ
ЭЛЕКТРОДАМИ................................. 8
1.1. Зажигание электрического разряда между твердым и
электролитическим электродами ................................. 8
1.2. Особенности горения электрического разряда между
электролитическим катодом и твердым анодом ......... 10
1.3. Некоторые особенности электрического разряда
между электролитическим анодом и твердым
катодом ........................................................................... 25
1.4. Электрический разряд между струйным
электролитическим и твердым электродами ............... 27
1.5. Практическое применение электрического разряда
между электролитическим и твердым электродами ... 31
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ...................................... 46
схема
2.1. Функциональная
плазменной установки,
экспериментальной
работающей
при
пониженных давлениях ................................................. 46
2.2. Высоковольтная экспериментальная установка
(выходное напряжение до 4000 В при токе 10 А) ...... 49
2.3. Высоковольтная экспериментальная установка
(выходное напряжение 1500 В при токе 2 А) ............. 52
2.4. Вакуумная система экспериментальной установки ... 52
2.5. Разрядная камера с электролитической ванной .......... 56
2.6. Устройство для получения электрического разряда
между струйным (капельным) электролитическим
катодом и твердым анодом при пониженных
давлениях ........................................................................ 58
2.7. Экспериментальная установка для исследования
высокочастотного (f = 13,56 МГц) емкостного
разряда (ВЧЕР) между электролитическим и
металлическим электродами ......................................... 59
182
Стр.182
2.8. Измерительная аппаратура и методика проведения
экспериментов, оценка точности измерений .............. 61
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
МЕЖДУ СТРУЙНЫМ (КАПЕЛЬНЫМ) ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ
КАТОДОМ И ТВЕРДЫМ
АНОДОМ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ.. 64
3.1. Особенности электрического пробоя вдоль
струйного электролитического катода при
пониженных давлениях ................................................. 64
3.2. Формы МР и АТР между струйным
электролитическим катодом и твердым анодом ......... 68
3.3. Вольт-амперные характеристики аномального
тлеющего
разряда между
струйным
электролитическим катодом (растворы NaCl,
NaHCO3, NH4Cl в технической воде) и твердым
анодом (медь М1, сталь Х18Н9Т, алюминий
АМЦ40, эбонит) ............................................................. 72
3.3.1. ВАХ аномального тлеющего разряда между
струйным электролитическим катодом из хлорида
натрия (NaCl) в технической воде и медным
анодом ............................................................................. 72
3.3.2. ВАХ аномального тлеющего разряда между
струйным электролитическим катодом из
гидрокарбоната натрия (NaHCO3) в технической
воде и медным анодом .................................................. 74
3.3.3. ВАХ аномального тлеющего разряда между
струйным электролитическим катодом из
хлористого аммония (NH4Cl) в технической воде и
медным анодом .............................................................. 76
3.3.4. ВАХ аномального тлеющего разряда между
струйным электролитическим катодом из хлорида
натрия (NaCl) и анодом из эбонита .............................. 78
3.4. Формы и характеристики аномального тлеющего
разряда между капельным электролитическим
катодом и медным анодом ............................................
79
183
Стр.183
3.5. Распределение потенциала и напряженности
электрического поля вдоль
струйного
электролитического катода ........................................... 80
3.6. Распределения значения плотности вероятности
тока АТР ……................................................................. 82
3.7. Колебания тока электрического разряда между
струйным электролитическим катодом и медным
анодом ............................................................................. 83
3.8. Локальная, струйная, одновременная очистка и
полировка поверхности меди М1 и стали Х18Н9Т .... 86
3.9. Локальное, струйное повышение твердости на
поверхности (медь М1 и алюминий АМЦ40) ............. 88
3.10. Уравнение регрессии для нахождения оптимальных
режимов локальной, струйной очистки с
одновременной полировкой поверхности меди .......... 89
Глава 4. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
РАЗРЯДА МЕЖДУ СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ
АНОДОМ И ПОРИСТЫМ
КАТОДОМ...................................................................................... 94
4.1. Формы электрического разряда между струйным
электролитическим анодом и катодом (твердый,
пористый) .......................................................................................... 94
4.2. Развитие электрического разряда между капельным
электролитическим анодом и пористым катодом .................. 101
4.3. Вольт-амперные характеристики тлеющего разряда между
струйным электролитическим анодом (твердый, пористый
и струйный) и катодом .................................................................. 103
4.4. Гистограммы распределения значения напряжения и тока
разряда ............................................................................................... 103
4.5. Устройство для получения электрического разряда между
струйным электролитическим анодом и пористым
катодом .............................................................................................. 104
4.6. Очистка поверхности меди тлеющим разрядом между
струйным электролитическим анодом и пористым
катодом .............................................................................................. 106
184
Стр.184
Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
МЕЖДУ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ КАТОДОМ И
МЕТАЛЛИЧЕСКИМ АНОДОМ, ПОГРУЖЕННЫМ
В ЭЛЕКТРОЛИТ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ
................................................................................................ 108
5.1. Аномальный тлеющий разряд с металлическим анодом,
погруженным в электролитический катод с турбулентным
перемешиванием ............................................................................. 108
5.1.1. Формы аномального тлеющего разряда в
электролитическом катоде с турбулентным
перемешиванием ............................................................................. 109
5.1.2. Вольт-амперные характеристики аномального тлеющего
разряда в электролите с турбулентным перемешиванием ... 111
5.2. Механизм очистки и полировки поверхности
металлического анода .................................................................... 112
Глава 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
МЕЖДУ ПРОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ
АНОДОМ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМ КАТОДОМ ПРИ
ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ .......................................... 116
6.1. Переход аномального тлеющего разряда между
электролитическим анодом и металлическим катодом в
многоканальный разряд ................................................................ 116
6.2. Вольт-амперные характеристики разряда и падение
напряжения в электролитическом аноде .................................. 117
6.3. Распределение потенциала и напряженности
электрического поля для электрических разрядов (АТР и
МР) между электролитическим анодом и металлическим
катодом .............................................................................................. 120
6.4. Колебания тока электрического разряда .................................. 121
6.5. Обобщение экспериментальных данных с использованием
методов теории подобия и размерности ................................... 122
Глава 7. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЕМКОСТНОГО
РАЗРЯДА СО СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ
ЭЛЕКТРОДОМ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ
ДАВЛЕНИЯХ ........................................................ 126
185
Стр.185
7.1. Формы и плотности тока электрического ВЧЕ-разряда
между электролитическим и металлическим электродами
напряжения ....................................................................................... 126
7.2. Особенности высокочастотного емкостного разряда
(ВЧЕР) со струйным электролитическим электродом ......... 128
7.3. Некоторые особенности развития высокочастотного
емкостного разряда (ВЧЕР) между капельно-струйным
электролитическим электродом и проточной
электролитической ячейкой ......................................................... 133
7.4. Высокочастотный емкостной разряд (ВЧЕР) при
пониженных давлениях с металлическим электродом,
погруженным в электролит .......................................................... 138
Глава 8. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ
ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДЫХ
ТЕЛ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ ....................... 144
8.1. Математическая модель квазинейтральной ВЧ-плазмы
пониженного давления .................................................................. 149
8.1.1. Система краевых задач .................................................................. 149
8.1.2. Необходимые условия разрешимости системы краевых
задач .................................................................................................... 155
8.2. Математическая модель слоя положительного заряда
возле обрабатываемого тела ......................................................... 161
8.2.1. Структура СПЗ у поверхности обрабатываемого тела ......... 161
8.2.2. Система задач «предслоя» ............................................................ 164
8.2.3. Система задач двойного слоя и СПЗ .......................................... 167
8.3. Обсуждение модели ....................................................................... 169
8.4. Результаты теоретических исследований ................................. 170
8.4.1. Постановка задачи численного экспериментирования ......... 170
8.4.2. Концентрация электронов ............................................................ 172
8.4.3. Напряженность магнитного поля ............................................... 173
8.4.4. Напряженность электрического поля ........................................ 174
8.4.5. Температура плазменной струи .................................................. 175
Заключение ............................................................................................................. 181
186
Стр.186