книги / Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме

Введение

Совершенствование физико-механических и специальных свойств материа­ лов связано не только с поиском новых химических составов или структур. Эта задача может быть решена с использованием нетрадиционных процессов их по­ лучения или в результате модифицирующей обработки материалов, что в пол­ ной мере относится и к порошкам, используемым в дисперсном состоянии (ка­ тализаторы, порошки для напыления) или служащим исходным сырьем для по­ рошковой металлургии. Большой интерес в связи с этим представляет примене­ ние концентрированных потоков энергии в различных процессах получения и обработки материалов: лазерного излучения, заряженных частиц, плазмы.

Значительные технические трудности, возникающие при использовании энергии электронного луча и лазерного излучения для обеспечения равномер­ ного воздействия на всю поверхность каждой частицы обрабатываемого порош­ ка, приводят к тому, что в большей степени получили развитие методы обработ­ ки порошков с применением низкотемпературной плазмы.

При плазменных процессах могут быть получены материалы, у которых хи­ мический и фазовый составы, микроструктура и, следовательно, характеристи­ ки будут существенно отличаться от получаемых традиционными методами [1.1—1.3]. Это связано с неравновесными физико-химическими процессами, протекающими при их получении и обработке.

Вчастности, при плазменном получении порошков на стадии их образования при конденсации из пара могут быть обеспечены условия, характеризующиеся огромными пересыщениями, приводящими к множественному зароды-шеобра- зованию конденсирующейся фазы при ограниченном времени роста частиц. Быстрый вывод их из зоны конденсации, препятствующий коагуляции, дает возможность получить вещество в ультрадисперсном (нанодисперсном) состоя­ нии с размером частиц порядка сотни ангстрем.

Втаких системах проявляются аномальные по сравнению с «массивными» частицами свойства, поскольку число атомов, находящихся на поверхности, становится соизмеримо с их общим числом. Наличие избыточной поверхност­ ной энергии частиц ультрадисперсных порошков (УДП) приводит к существен­ ному возрастанию их активности.

Способ генерирования плазмы во многом определяет возможность осущест­ вления целевого плазменного процесса получения или модифицирования мате­ риала.

Глава 1

ИМПУЛЬСНЫ Й ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОНДЕНСАТОРНЫЙ РАЗРОД К А К СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Расширение применения электротермических процессов в производстве и обработке материалов связано с возросшим использованием прямых методов энергетического воздействия на вещество и физико-химические процессы, пос­ кольку в этом случае можно существенно снизить потери энергии при передаче ее от источника в реактор, увеличить интенсивность процесса обработки, повы­ сить уровень управления физико-химическим процессом и т.д. К таким энерге­ тическим воздействиям относятся и плазменные потоки, генерируемые, как правило, различными видами стационарных электрических разрядов [1.1—1.4].

Несомненный интерес представляют импульсные источники плазмы. Ис­ пользование их для генерирования плазмы при относительно небольшой мощ­ ности внешнего источника электроэнергии дает возможность реализовать в плазме пиковые мощности (до десятков и сотен мегаватт), недостижимые для стационарных видов разряда.

У импульсных генераторов плазмы первоначально запасенная в накопителе электрическая энергия в течение короткого времени выделяется в разрядном прост­ ранстве, преобразуясь в энергию плазмы. Плазма нагревается импульсами тока, достигающими плотности 106...107 А/см2, до температуры (3...5)-104 К [1.5—1.7].

Отметим некоторые особенности импульсных генераторов низкотемпера­ турной плазмы (НТП).

1. В этих генераторах плазмы отсутствует проблема стабилизации электри­ ческой дуги в межэлектродном промежутке, решение которой имеет первосте­ пенное значение для стабильной работы дуговых плазмотронов.

2.На импульсных генераторах НТП возможно получение предельно высо­ ких для плазменных генераторов значений пиковой мощности, достигающих сотен мегаватт и обеспечивающих получение плазменных потоков с параметра­ ми, недостижимыми для других типов плазмотронов.

3.С импульсным характером выделения энергии в импульсных генераторах НТП связаны меньшие, чем в случае стационарных электрических разрядов, термические нагрузки на материал конструкций плазменных реакторов.

4.Импульсные генераторы НТП характеризуются высокой технологич­ ностью способа генерации плазмы при обработке газодисперсных и парогазо­

вых потоков, поскольку при их использовании отсутствуют проблемы ввода га­ зового и дисперсного сырья в плазменный поток. Это связано с тем, что им­ пульс плазмы с заданной частотой формируется непосредственно в потоке ис­ ходных реагентов, заполняющих разрядный межэлекгродный промежуток в те­ чение паузы между импульсами плазмы.

5. На установках импульсной плазмы имеется возможность регулирования времени воздействия плазмы на объект от долей до сотен микросекунд в зави­ симости от параметров разрядного контура, свойств среды и аппаратурного оформления процесса.

Широкие возможности применения импульсных устройств в технологии мате­ риалов представляют схемы, в которых энергия, предварительно накопленная в ем­ костном накопителе, выделяется в активном сопротивлении разрядной цепи. Ак­ тивным сопротивлением может быть разрядный промежуток, заполненный либо парогазовой фазой, либо газодисперсным потоком. Высокие температуры, реализу­ емые в канале разряда, позволяют эффективно проводить различные физико-хими­ ческие процессы с участием газовой и конденсированной фаз. Полнота и характер превращений в обрабатываемом веществе во многом зависят от совокупности фак­ торов, характеризующих теплообмен в импульсной дуге. Важнейшими из них явля­ ются закономерности формирования и развития разряда, его параметры.

7.7. Исследование импульсных разрядов в газах

Импульсный высоковольтный конденсаторный разряд (ИВКР) в аргоне и во­ дороде при атмосферном давлении, электрических и геометрических парамет­ рах, соответствующих реальным параметрам установок для обработки материа­ лов, относится к классу умеренно быстрых (длительность порядка 10'5...10'3 с), сильноточных (сила тока более 103 А), с относительно небольшими начальны­ ми скоростями нарастания тока (порядка 108 А/с) свободно горящих дуговых разрядов высокого давления (начальное давление не менее 105 Па), с характер­ ным размером разрядного промежутка 1...10 см.

На основании имеющихся научных данных процесс развития разрядов этого класса можно разбить на следующие стадии:

1)пробой;

2)искровая стадия;

3)дуговая стадия;

4)затухание разряда и восстановление исходного состояния газа.

На первой стадии образуется токопроводящий канал с высокими температу­ рой и степенью ионизации. За его размер можно принять диаметр стримерного канала КП2..Л0-1 см. За пределами канала в газе не происходит никаких изме­ нений. Продолжительность этой стадии разряда ~ 10_8 с.

Проведенные фото- и осциллографические исследования [1.8—1.12] позво­ лили выявить сложную структуру канала на искровой стадии, длящейся первую четверть периода колебательного контура.

Врезультате прохождения тока в канале в виде джоулева тепла выделяется энергия, запасенная на батарее конденсаторов [1.8]. Это ведет к сильному ра­ зогреву плазмы, не скомпенсированному столь же быстрым теплоотводом, и резкому повышению давления. Токовый канал (ТК) начинает расширяться со сверхзвуковой скоростью, действуя на остальной газ подобно поршню и вызы­ вая в нем ударную волну (УВ). Поскольку решающая роль в механизме расши­ рения канала не может быть приписана процессам теплопередачи, диффузии электронов и ионов в радиальном поле искры или фотоионизации, авторы ра­ бот [1.8—1.14] предложили описывать физическую картину данного явления на основе представлений газодинамической теории процессов взрывного типа.

Втечение примерно (2...4)*10-7 с амплитуда УВ велика и повышение темпе­ ратуры за фронтом УВ за счет адиабатического сжатия достаточно для терми­ ческой ионизации газа. Границей токового канала является фронт УВ. По мере расхождения от оси, вовлечения в возмущение все новых порций холодного га­ за УВ отрывается от медленнее расширяющегося ТК, так как температура на фронте УВ уже недостаточна для значительной термоионизации газа.

Врезультате ослабления УВ плотность на ее фронте заметно уменьшается и вместо двойного слоя появляется конечный слой не слишком разреженного га­ за [1.12]. Иначе говоря, задняя поверхность двойного слоя отходит от 1раницы возмущенной области. Таким образом, должно иметь место образование облас­ ти газа с медленно меняющейся плотностью, отделенной скачком от невозму­ щенного газа и переходящей с внутренней стороны в область сильно разрежен­ ную —плазму разряда. Последний переход совершается довольно резко и на фотографии фиксируется четкой линией. Этот тонкий слой, являющийся чет­ кой границей, делящей всю область возмущенного газа на область сильно раз­ реженную и область с плотностью, в несколько раз превышающей нормальную, авторы [1.9] назвали «оболочкой» канала. Скорость расширения «оболочки» меньше скорости ударной волны, но выше скорости токового канала.

Вработе [1.10] для разряда в воздухе при U—10 кВ; L = 2 мкГн; С = 0,25 мкФ показано, что плотность и температура по всему сечению канала примерно пос­ тоянны и равны Т = 40 000 К и р = 410-3р0. Температура на фронте УВ состав­ ляет 8 000... 10 000 К.

Проведенные исследования [1.13] показали, что наибольшее влияние на на­

чальную скорость выделения энергии и, следовательно, на долю энергии, выде­ лившуюся на искровой стадии, оказывает величина самоиндукции. С ее умень­ шением начальная скорость поступления энергии в плазму резко возрастает. Емкость и начальное напряжение батареи конденсаторов практически не сказы­

ваются на начальной величине скорости, в дальнейшем определяя абсолютную величину выделившейся энергии. Плотность тока в канале разряда максималь­ на в момент образования канала, а затем монотонно убывает. Увеличение индук­ тивности цепи разряда приводит к уменьшению начальной плотности тока. Уве­ личение емкости контура, не влияя на начальную плотность тока, в дальнейшем замедляет ее спад во времени. Повышение напряжения увеличивает абсолютное значение плотности тока и, следовательно, влияет на температуру искры.

При сокращении времени выделения энергии в разряде скорость распрост­ ранения УВ и расширения канала возрастает. Увеличение емкости, не меняя скорости в начальные моменты времени, оказывает влияние на длительность поддержания больших значений этих скоростей. Изменение напряжения ска­ зывается лишь на абсолютных значениях скоростей УВ и ТК. Скорости всех трех структурных составляющих разряда больше в тех газах, в которых больше скорость звука. С уменьшением начального давления газа скорости УВ и ТК возрастают.

Таким образом, к концу второй стадии, которая соответствует 1/4 периода разряда:

1)разряд имеет сложную структуру, включающую три движущихся образова­ ния: ударную волну, «оболочку» и токовый канал;

2)температура для диссоциации и ионизации газа достаточна в зоне, ограни­ ченной «оболочкой»;

3)практически весь возмущенный газ находится между фронтом ударной волны и «оболочкой»;

4)температура в токовом канале, его размеры и скорость ударной волны оп­ ределяются параметрами разрядного контура.

Третья стадия —стадия дугового разряда, длящаяся до разрушения «оболоч­ ки», имеет продолжительность ~ 100 мкс.

Осцилляции напряжения и силы тока приводят к пульсирующему характеру выделения энергии, поэтому температура в токовом канале будет испытывать колебания, уменьшаясь из-за потерь на излучение, теплопроводность, конвек­ цию. УВ постепенно теряет скорость и через 2—3 периода вырождается в звуко­ вую, те. давление на ее фронте становится порядка атмосферного. «Оболочка» как граница двух областей практически останавливается. При этом УВ продол­ жает двигаться, что приводит к увеличению зоны между ее фронтом и самой «оболочкой» и к уменьшению плотности газа в ней.

Следует отметить, что авторы всех рассмотренных выше работ изучали про­ цессы развития разряда в цепях с большой индуктивностью и малой емкостью. Такой разряд характеризуется сравнительно умеренными токами (~ 10 кА) и на­ чальной крутизной тока 109...Ю10 А/с и вследствие этого незначительным влия­ нием магнитных сил на все процессы в разряде.