Характеристики электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом при пониженных давлениях

УДК 537.525

Ал. Ф. Гайсин, И. Ш. Абдуллин

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ СТРУЙНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ КАТОДОМ И ТВЕРДЫМ АНОДОМ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ДАВЛЕНИЯХ

Ключевые слова: плазма, электролит, струя, медь, сталь, эбонит, поваренная соль, сульфат аммония, тлеющий

разряд, давление.

Представлены результаты экспериментального исследования электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом (медь М1, Ст45, эбонит) в широком диапазоне давления.

Приведены ВАХ для различного состава и концентрации электролитов, распределения напряженности электрического поля вдоль струйного электролитического катода, колебания тока разряда в широком диапазоне параметров.

Keywords: plasma, electrolyte, jet, copper, steel, ebonite, sodium chloride, ammonium sulfate, glow discharge.

Presented are the results of experimental investigations of an electric discharge between a jet electrolyte cathode and solid anode (copper M1, steel St45, and ebonite) in a wide range of pressures. Presented are voltage-current characteristics for various concentrations and composition of electrolyte, electric field strength distribution along the jet electrolyte cathode, and current oscillations.

1 Введение

Анализ современного состояния исследований электрических разрядов между твердым и жидким электродами [1-16 и др.] показывает, что для построения адекватной физической модели в настоящее время экспериментальных данных недостаточно, с целью выяснения механизма протекания тока в струе электролита, особенно в приэлектродных областях у поверхности и внутри жидкого электрода, необходимо изучить общую структуру и основные характеристики стационарного и нестационарного разрядов. В связи с этим необходимы измерения ВАХ, напряженности электрического поля, пульсаций напряжения и тока разряда.

2 Экспериментальная установка и методика измерений

Экспериментальные исследования характеристик электрического разряда между струйным электролитическим катодом и твердым анодом проведены в диапазоне Р =

1.9-104^8.8-104 Па, диаметре струи электролита dc = 1.5^2.5 мм длины струи электролита 1с = 10^20 мм, расхода электролита G = 1 г/с. В качестве электролита были использованы растворы (NaCl, NH4SO4, CUSO4, NaHCOs, NH4CI) в технической воде, а анода медь марки М1. Концентрация электролита менялась от 2% до насыщения.

Экспериментальная установка представлена на рис. 1. Она содержит верхнюю электролитическую ячейку 1 с токоподводом 2, соединенным с концом токоподводящей к струе трубки 3 и краником 4. Краник позволяет регулировать диаметр струи (катод), который включает участок 5 без ТР и участок 6 с ТР. Электролит стекает на нижнюю ячейку 7, где находится металлический токоподвод 8 (анод). Вакуумная камера 9 откачивается вакуумным насосом 10 (2НВР-5Д).

ВАХ многоканального разряда между струйным электролитическим катодом и проточной электролитической ячейкой-анодом измерялись с помощью вольтметра М367 класса точности 0.5 и статического вольтметра С50 класса точности 1.0, амперметром Ц-4311 класса точности 0.5 и мультиметром MY68 класса точности 0.5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1.5%. Вакуумная система установки состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса типа 2НВР-5ДМ. Рабочее давление в вакуумной камере регулируется изменением скорости откачки, а измеряется вакуумметром ВТИ модель 1218

Рис. 1 - Экспериментальная установка

класса точности 0.6, а также вакуумметром модель 1227 класса точности 0.25. расход электролита определяется с помощью мензурки и секундомера. Скорость вычислялась по формуле G = pVS , где G - расход электролита, р - плотность электролита, S - сечение струи

электролита. Для каждого набора значений величин lc, dc, G , и, состава и концентрации электролита регистрация параметров электрического разряда проводилась не менее 11 раз. Фотографирование разряда осуществлялось фотоаппаратом «Sony DSC-H9», «Rower 3.2», а также проводилась видеосъемка на видеокамеру «Sony HDR-SR72E» с разрешающей способностью 25 кадров в секунду. Распределения потенциала на оси разряда проводились с помощью координатника и статического вольтметра С50 класса точности 1.0. По измеренным распределениям потенциала проведены расчеты распределения напряженности электрического поля Е с использованием формулы E = grad9 с точностью ± 5%. Колебания напряжения и тока разряда фотографировались с экрана универсального двулучевого осциллографа типа G0S-6030.

3 Обсуждение результатов исследований

Результаты экспериментального исследования ВАХ представлены на рис. 2 между струйным электролитическим катодом (NaCI) и медным анодом марки М1 для различных давлений.

Как видно из рис. 2 происходит расслоение ВАХ между струйным электролитическим катодом из раствора NaCI в технической воде и медным анодом. Все характеристики находятся в области аномального ТР. После зажигания разряда величина U быстро возрастает в интервале I от 100 до 200 мА, а затем наблюдается медленный рост напряжения с ростом тока разряда. Сравнение кривых 2, 3 и 4 показал, что с понижением давления от 6.8-104 до

1.9-104 Па критическая величина тока разряд перед гашением возрастает. Анализ ВАХ для различного состава и концентрации электролита, а также для материала анода показал, что изменение зависимости U от I имеет подобный характер. Однако имеются свои характерные особенности. Если увеличить напряжение разряда, то происходит электрический пробой вдоль струйного электролитического катода. Сравнение напряжения зажигания при Р = 1.9-104 Па, lc = 12 мм, dc = 2 мм с кривой Пашена показало, что величина U3 уменьшается в 10 раз. Анализ ВАХ разряда между струйным электролитическим катодом и медным анодом показал, что

развитие разряда после зажигания происходит следующим образом. Сначала переход в нормальный тлеющий разряд (ТР), а затем аномальный ТР и многоканальный разряд (МР).

Рис. 2 - ВАХ разряда между струйным электролитическим катодом (раствор NaCI в технической воде) и медным анодом Мі при /с = l2 мм, dc = 2 мм, G =l г/с для различных давлений: кривая 1 соответствует ТР между металлическими электродами Рл = l33 Па, Р2 = 2,9 • lO-4 Па, Р3 = 3,9 • lO-4 Па, Р4 = 2,9 • lO-4 Па

Результаты расчета напряженности электрического поля представлена на рис. 3, величина Е возрастает ступенчато. В прианодной области имеет значение Е = 20 В/мм. В интервале lc от 0.5 до 1.5 мм возрастает линейно, а затем в интервале от 1.5 до 2.5 величина Е не меняется. С дальнейшим ростом lc от 2.5 до 3.5 мм напряженность электрического поля

Рис. 3 - Распределение напряженности электрического поля вдоль струйного

электролитического катода при Р = 10 кПа, I = 0.2 А, /с = 10 мм, ^с = 1.5 мм, О = 1 г/с

возрастает линейно. В интервале от 3.5 до 10 мм величина Е = 30 В/м и практически не применяется. Это объясняется тем, что эта область однородного течения струи электролита,

здесь разряд не горит. Проводимость определяется положительными и отрицательными зарядами. В прианодной области характер течения струи меняется. Здесь начинает гореть ТР при пониженных давлениях или МР вблизи атмосферного давления. В данном случае кроме ионного тока, определяющим также является электронная проводимость.

После мгновенного искрового пробоя вдоль струйного электролитического катода горит кратковременный дуговой разряд пониженного давления между плоским медным анодом и медной трубкой для подвода отрицательного потенциала. Это наглядно видно из фотографии рис. 4, где показан ступенчатый переход электролитического пробоя в ТР. Ток дуги составляет порядка 6А, длительность горения т = 5 шБ, а затем в течении следующего времени т = 5 тЭ горит ТР. Анализ осциллограмм тока разряда показал, что наблюдаются различные колебания, как по амплитуде, так и по длительности величины тока ТР. Эти особенности объясняются неустойчивостью струйного электролитического катода в процессе развития электрического разряда.

Рис. 4 - Осциллограмма перехода дугового разряда пониженного давления в ТР при Р = 9 • 104 Па, /с = 12 мм, ^с = 1,5 мм, О = 1 г/с

4 Заключение

Установлено расслоение ВАХ для различных давлений. Выявлено существенное отклонение напряжения зажигания разряда из вдоль струйного электролитического катода от закона Пашена. Показано увеличение величины из с ростом длины струи и давления. Выявлено неоднородное распределение величины Е вдоль струи электролита. Анализ осциллограмм показал, что колебания тока и формы разряда определяются характером течения струйного электролитического катода, который зависит от давления, диаметра, длины, скорости, состава и концентрации струйного электролитического катода.

Установлено, что многоканальный разряд между струйным электролитическим катодом и анодом при Р < 6.8 • 104 Па переходит в аномальный ТР, а затем нормальный ТР. Обнаружено, что с дальнейшим уменьшением происходит почти скачкообразное уменьшение величины и и разряд гаснет. Переход может произойти как в области нормального, так и аномального ТР. Вышеуказанные особенности существенно зависят от состава и концентрации струйного электролитического катода. Выявлено, что при переходе МР в ТР

или наоборот в зависимости от характера течения струи наблюдается одновременное горение

ТР и МР вдоль струйного электролитического катода.

Литература

1. Гайсин, Ф.М. Электрические разряды в парогазовой среде с нетрадиционными электродами / Ф.М. Гайсин, Э.Е. Сон // Энциклопедия низкотемпературной плазмы / под ред. Фортова В.Е. - М.: Наука, 2000. - 241 с.

2. Mezei, P. Electrolyte cathode atmospherie glow dischartsyges for direct solution analysis / P. Mezei and T. Ceserfalvi. Appl. Spectrosc. Rev 42 (2007), 573 (обзор).

3. Лазаренко, Б.Р. Химико-термическая обработка металлов электрическими разрядами в электролитах при анодном процессе. / Б.Р. Лазаренко и др. // Электронная обработка материалов. -1974. - № 5. - С. 11.

4. Дураджи, В.Н.. Химико-термическая обработка стали в электролитной плазме. / В.Н. Дураджи, А.М. Мокрова, Т.С. Лаврова // Изд. АН СССР. Серия «Неорганические материалы». - 1985. - Т. 21. -№ 9. - С. 1589.

5. Ясногородский, И.З. Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов / И.З. Ясногордский. - М.: Машиностроение, 1971. С. 117.

6. Факторович, А.А. Электрические разряды в электролитах. / А.А. Факторович, Е.К. Галанина // Электрохимическая обработка металлов / Под общ. ред. Ю.Н. Петрова. Кишинев, 1971. - 122 с.

7. Словецкий, Д.И. Механизм плазменно-электролитного нагрева металлов / Д.И. Словецкий, С.Д. Терентьев, В.Г. Плеханов // ТВТ. - 1986. - Т. 24, - № 2. - С. 353.

8. Поляков, О.В. Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные системы / О.В. Поляков, В.В. Баковец // Тез. 4-го Всесоюзного совещания. Кемерово, 1986. С. 196.

9. Снежко, Л.А. Импульсный режим для получения силикатных покрытий в искровом разряде / Л.А. Снежко и др. // Защита металлов. - 1980. - Т. 16, - № 3. - С. 365.

10. Гайсин, А.Ф. Паровоздушные разряды между электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // ТВТ. - 2005. - Т. 43. - № 1. - С. 5.

11. Гайсин, А. Ф. Паровоздушный разряд между электролитным анодом и металлическим катодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин // ТВТ. - 2005. - Т. 43. - № 5. - С. 684

12. Гайсин, А.Ф. Паровоздушный разряд с пористым электролитическим катодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин, Х.К. Тазмеев // ТВТ. - 2005. - Т. 43. - № 6. - С. 813.

13. Гайсин, А.Ф. Нестационарный многоканальный разряд между струей электролита и металлическим электродом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин // ТВТ. - 2006. - Т.44. - №5. - С. 344.

14. Гайсин, А.Ф. Многоканальный разряд между проточным электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин // ТВТ. - 2006. - Т. 44. - № 3. - С. 5.

15. Гайсин, А.Ф. Об особенностях многоканального разряда с твердым и электролитическим электродами при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // ТВТ. - 2007. - Т. 45. - № 2. -С. 316.

16. Шайдуллина, А.Р. Особенности многоканального разряда со струйным электролитическим анодом при атмосферном давлении / А.Р. Шайдуллина, Ф.М. Гайсин, Э.Е. Сон // ТВТ. - 2008. - Т. 46. - № 4. -С.623.

© Ал. Ф. Гайсин - асс. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, almaz87@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, abdullin_i@kstu.ru.