Процеси взаємодії потужного електророзрядного імпульсу струму з конденсованою речовиною

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Спеціальність 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки

УДК 621.762.4:537.527.3:542.86:536.42

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Автореферат

ПРОЦЕСИ ВЗАЄМОДІЇ ПОТУЖНОГО ЕЛЕКТРОРОЗРЯДНОГО ІМПУЛЬСУ СТРУМУ З КОНДЕНСОВАНОЮ РЕЧОВИНОЮ

Кускова Наталя Іванівна

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі електрофізичних досліджень Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України Науковий доктор технічних наук, професор консультант: Вовченко Олександр Іванович, Інститут імпульсних процесів і технологій НАН України, директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки, Лауреат Державної премії України Ковальченко Михайло Савич, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу термомеханічної обробки тугоплавких матеріалів доктор технічних наук, старший науковий співробітник Прокопенко Георгій Іванович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, завідувач відділу акустики твердого тіла доктор технічних наук, старший науковий співробітник Добрушін Леонід Давидович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділу зварювання, різання і обробки металів вибухом

Провідна установа: Фізико - технологічний інститут металів і сплавів НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “21” травня 2007 р. о 1500 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 19, ауд. 435.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано “29” березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 д.т.н., професор Л.Ф. Головко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Відкриття нової форми існування вуглецю - фулеренів і створення скануючих тунельного й атомно-силового мікроскопів наприкінці минулого століття зіграли значну роль у дослідженні та одержанні наночастинок і нанодисперсних матеріалів. Швидкими темпами почала розвиватися нанотехнологія - міждисциплінарна галузь науки, в якій вивчаються закономірності фізико-хімічних процесів створення наноструктур, нанопристроїв або наноматеріалів.

Перехід речовин у наностан істотним способом змінює практично всі їх фізико-механічні характеристики. Нові функціональні матеріали, що містять наночастинки, мають унікальні властивості. Нанодисперсні порошки металів і сплавів використовують для напилення, в якості каталізаторів, початкової сировини для порошкової металургії та ін.

Основоположниками науки про дослідження нановуглецю були Г. Крото (Великобританія), В. Кретчмер (Німеччина), Д. Хаффман (США), І. Станкевич (Росія), Е. Осава (Японія), які і зараз займають лідируючі позиції з розробки електродугового методу синтезу нановуглецевих структур. Вельми багатообіцяюче промислове застосування нановуглецевих матеріалів (фулеренів, вуглецевих нанотрубок, наноалмазу), в першу чергу, в якості нових високотехнологічних й інтелектуальних матеріалів, тому дослідження різних методів дії концентрованих потоків енергії на речовину з метою отримання нановуглецю становить великий інтерес. Проблему практичного освоєння нановуглецю вирішує сьогодні Японія, уряд якої розглядає нанотехнологію як ключовий елемент перебудови економіки. Зволікання в сфері нанотехнологій може мати важкі наслідки для перспектив розвитку економіки України.

Існуючі фізичні методи одержання наноматеріалів (електродуговий, лазерний, детонаційний, електровибуховий та метод електронних пучків) засновані на випаровуванні та конденсації речовин. Забезпечення рівномірної дії концентрованого потоку енергії на весь об'єм матеріалу при використанні електронних пучків, електродуги та лазерного випаровування викликає великі технічні труднощі, які відсутні при застосуванні методу електричного вибуху провідників (ЕВП). Електровибух як процес швидкого перетворення енергії електричного поля у внутрішню енергію речовини провідників за своїми питомими характеристиками є одним з найпотужніших джерел імпульсної дії на матеріали.

Актуальність теми. Електровибух давно досліджували експериментально та теоретично, однак складність електрофізичних процесів й існування ряду фазових перетворень речовини не дозволили до теперішнього часу отримати прості аналітичні залежності, які роблять можливим розрахунок термодинамічного стану матеріалу та керування електророзрядним процесом. При розробці сучасних нанотехнологій, в яких застосовується електричний розряд, виникає необхідність подальшого розвитку теорії, яка описує процеси взаємодії потужних імпульсів струму з речовиною, що дозволить класифікувати типи та види розряду та реалізувати їх на практиці з метою ціленаправленого синтезу наноматеріалів. Це актуально, оскільки відставання рівня теоретичного опису результату дії електричного розряду на речовину від масштабу його практичного застосування перешкоджає створенню наукових основ електровибухової обробки матеріалів.

Технологія виробництва фулеренів заснована на випаровуванні графіту електричною дугою в розрідженій інертній атмосфері. В результаті виходить сажа, що містить до 10 % С60 і С70. Основні недоліки електродугового методу пов'язані з малим виходом фулеренів або з малою кількістю сажі, що містить фулерени, а також з недостатньо високою продуктивністю. Отже, вдосконалення методів синтезу фулеренів залишається на сьогоднішній день актуальним напрямом. Отримання наноалмазів є наукоємною технологією утилізації боєприпасів і дозволяє повернути значну частину коштів, витрачених на їх створення, проте цей факт не повинен стримувати пошук нових ефективних методів синтезу наноалмазу. Існування фулеренів, вуглецевих нанотрубок і надтвердих фаз вуглецю викликає інтерес дослідників до можливості їх синтезу в процесі електровибуху графітових провідників і доведенні конкурентоспроможності методу ЕВП. Крім того, структурно-фазові перетворення вуглецю в процесі електровибуху становлять інтерес і як об'єкт фундаментальних досліджень.

Найважливішою рисою нинішнього етапу розвитку електророзрядної обробки матеріалів є перехід від стадії накопичення даних до стадії керованого отримання різноманітних наноматеріалів в результаті електровибуху. Тому прогнозування результату дії потужного імпульсу струму на речовину є важливим науково-технічним завданням, вирішення якого може бути направлене на розробку новітніх електророзрядних методів і технологій синтезу вуглецевих наноматеріалів.

Розвиток потужних джерел імпульсної дії на матеріали (лазерне, рентгенівське або електромагнітне випромінювання, електронні та іонні пучки, нейтронні потоки, швидкісний удар та ін.) зробив об'єктом лабораторних досліджень високотемпературні стани металів у широкій області фазової діаграми. Для вирішення прикладних задач (створення протиметеоритного захисту космічних апаратів, проектування перспективних енергетичних установок нового покоління, розвиток новітніх технологій високоенергетичної обробки матеріалів і т.ін.) потрібно мати експериментальні дані з температурних залежностей характеристик для всього спектру фізичних станів металу. Це обумовлює необхідність проведення вимірювань тепло- та електрофізичних характеристик високотемпературних станів металів.

Неможливість одночасного створення в статичних або квазістатичних умовах високого тиску і температур, що перевищують температуру плавлення тугоплавких металів, в досліджуваному середовищі привела до широкого використання динамічних методів дослідження теплофізичних властивостей різних речовин. Так, вимірювання характеристик тугоплавких металів і графіту в динамічних умовах є єдиним способом отримання інформації про їх властивості в області високотемпературних станів. Ефективним способом дослідження є швидке однорідне нагрівання провідників потужним імпульсом струму, але недостача інформації про синхронну зміну ряду термодинамічних і електрофізичних параметрів провідника приводить до необхідності розробки нового методу їх реєстрації в процесі нагрівання провідника імпульсом струму, що дозволить одержати повну інформацію про еволюцію термодинамічного стану речовини, та з більшою мірою достовірності розрахувати температурні залежності тепло - та електрофізичних характеристик (ентальпії, електропровідності, питомої теплоємності, густини) рідких металів.

При використанні електровибуху провідників як засобу отримання тепло- та електрофізичних характеристик конденсованих провідних речовин велика увага надавалася проблемі однорідності провідника в процесі істотно нестаціонарного нагрівання його потужним імпульсом струму. Отримано низку умов, при яких зберігається однорідність по довжині й радіусу циліндричного провідника, але недостатньо проаналізовано ряд процесів, що сприяють порушенню радіальної однорідності твердого або рідкого (що розширяється) циліндричного провідника, - це процес дифузії в провідник електромагнітного поля, радіальна залежність магнітного тиску, швидке розширення провідника в процесі нагрівання. Для пошуку режимів однорідного нагрівання провідників імпульсом струму необхідно визначити умови, при яких однорідність речовини зберігається, а також причини, момент і характер порушення однорідності.

Виходячи з викладеного, дослідження, які спрямовані на створення наукових основ електровибухової обробки матеріалів, розвиток теорії та методів діагностики процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсного струму з конденсованою речовиною та розробку електровибухових методів синтезу нановуглецевих матеріалів, вирішують актуальну проблему, яка має наукове та практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена дисертаційна робота є результатом науково - дослідних робіт, які виконано в Інституті імпульсних процесів і технологій НАН України за проблемами: “Фізика розрядів і процесів у сильних електричних і магнітних полях, електротехнічних і електроенергетичних пристроях” й “Теплофізичні властивості речовин”, - і відкритих на підставі постанов Бюро Відділення фізико - технічних проблем матеріалознавства НАН України тем НДР: „Исследовать физические процессы, сопровождающие нагрев и разрушение конденсированных металлических проводников импульсами тока плотностью (1010…1011) А/м2” (№ ДР 0193U007147, 1992-1995 р.р. Здобувач - відповідальний виконавець теми); „Исследование режимов нагрева и испарения металлических и углеродсодержащих образцов импульсами тока, обеспечивающих получение структурно-неоднородных материалов, содержащих атомы металла и углерода, фуллерены, и обладающих новыми физико-химическими свойствами” (№ ДР 0197U016737, 1997-2001 р.р. Здобувач - один з основних виконавців теми); „Исследовать взаимосвязь между характером фазовых превращений, протекающих при электровзрывном преобразовании энергии, и особенностями формирования и развития различных видов электрического разряда в конденсированных веществах с проводимостью от 10 до 105 См/м” (№ ДР 0101U005363, 2001-2004 р.р. Здобувач - науковий керівник теми); „Исследовать структурные фазовые переходы углерода в процессе нагрева мощным импульсом тока” (№ ДР 0104U010338, 2004-2006 р.р. Здобувач - науковий керівник теми), - та НДР Комплексної програми фундаментальних досліджень НАН України „Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології”, відкритої за розпорядженням Президії НАН України в рамках наукового проекту „Одержання композитних вуглецевих наноматеріалів за допомогою високоенергетичних електророзрядних методів та дослідження їх впливу на структурно-фазові перетворення в зоні контактної взаємодії пар тертя” (№ ДР 0106U006230, 2006 р. Здобувач - науковий керівник теми).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є створення наукових основ електровибухової обробки матеріалів, розвиток теорії та методів діагностики процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсу струму з конденсованою речовиною та розробка електровибухових методів синтезу нановуглецевих матеріалів (фулеренів, наноалмазу та ін.), який відбувається в результаті структурно-фазових перетворень вуглецю.

Для досягнення поставленої мети в дисертації необхідно вирішити наступні основні задачі:

- створити наукові основи електровибухової обробки матеріалів, в результаті якої виникають структурно-фазові перетворення речовини;

- розробити електровибухові методи одержання нановуглецевих матеріалів - фулеренів і наноалмазу та мастила, що містить фулерени в якості протизносної присадки;

- розробити рекомендації для створення електровибухової технології синтезу нановуглецевих матеріалів;

- одержати аналітичні залежності термодинамічних величин, що визначають еволюцію стану речовини в процесі електровибуху, від параметрів електроустаткування та характерних розмірів провідника;

- теоретично та на підставі аналізу результатів дослідження одержаних дисперсних продуктів електровибуху встановити технологічні режими нагрівання графітових провідників потужним імпульсом струму та умови, необхідні для структурно - фазових перетворень графіт алмаз, графіт вуглецеві нанотрубки та графіт фулерени;

- розвинути теорію та методи діагностики процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсного струму з конденсованою речовиною;

- одержати умови однорідності речовини в процесі істотно нестаціонарного нагрівання імпульсним струмом на підставі теоретичного дослідження радіальних розподілів термодинамічних і електрофізичних параметрів твердого й рідкого циліндричного провідника, що розширяється;

- розробити достовірний метод реєстрації термодинамічних величин (температури, густини і тиску) в процесі нагрівання провідника потужним імпульсом струму;

- розробити та апробувати методику знаходження часових залежностей термодинамічних величин і температурних залежностей характеристик рідких металів у процесі електровибуху за осцилограмами сигналів пірометра спектрального відношення (з урахуванням кінцевої ширини пропускання інтерференційних фільтрів і апаратних функцій каналів пірометра) та одержати по запропонованій методиці достовірні температурні залежності тепло- та електрофізичних характеристик (густини, ентальпії, питомих теплоємності та електропровідності) рідкого вольфраму;

- запропонувати напівфеноменологічну теорію формування і розповсюдження фазових перетворень речовини в процесі швидкого та надшвидкого режимів електричного вибуху провідників;

- розвинути теорію дії сильних електромагнітних полів на діелектрики, що викликає виникнення хвиль фазових перетворень у конденсованих середовищах у процесі формування електричного пробою.

Об'єктом дослідження є високоенергетичні стани, фазові та структурно - фазові перетворення речовин у результаті взаємодії з концентрованими потоками енергії.

Предметом дослідження є процеси взаємодії потужних електророзрядних імпульсів струму з конденсованою речовиною.

Методи дослідження: математичне моделювання нагрівання та випаровування циліндричних провідників потужним імпульсним струмом; аналітичні методи розв'язку системи магнітогідродинамічних (МГД) рівнянь, що включає рівняння, які описують дифузію магнітного і електричного поля в циліндричний провідник, зміну струму та джоуліве розігрівання; фізичний експеримент у лабораторних умовах із синхронною реєстрацією термодинамічних і електричних параметрів провідника в процесі електровибуху; чисельні методи розрахунку тепло- та електрофізичних характеристик рідких металів; спектрографічні, мас-спектрометричні та рентгеноструктурні методи дослідження продуктів електровибуху (елементний рентгеноспектральний мікроаналіз, рентгенофазовий аналіз за допомогою ідентифікації щільних фаз вуглецю (кубічного і гексагонального алмазу)); методи електронної мікроскопії, що просвічує, в поєднанні з мікродифракцією.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше на основі розвитку теорії процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсу струму з конденсованою речовиною створено наукові основи електровибухової обробки матеріалів, в результаті якої відбуваються структурно-фазові перетворення речовини та синтез наноматеріалів.

2. Вперше показано, що структурно-фазові перетворення графіталмаз відбуваються в процесі високоенергетичних режимів електричного вибуху графітових провідників у воді та органічних рідинах (питома запасена енергія w > 100 МДж/кг), тоді як умови для синтезу фулеренів і вуглецевих нанотрубок створюються при низькоенергетичних режимах (w < 50 МДж/кг).

3. Вперше одержано аналітичні залежності для термодинамічних величин (Р,Т -умови) від параметрів електроустаткування та характерних розмірів провідника, що дозволяє керувати процесом електровибуху, та побудовано фазові траєкторії вуглецю з урахуванням фазових перетворень, які визначають еволюцію стану речовини в процесі електровибуху.

4. Вперше в результаті аналізу радіальних розподілів термодинамічних і електрофізичних параметрів твердого та рідкого циліндричного провідника (із урахуванням розширення) в процесі нагрівання імпульсним струмом одержано умови радіальної однорідності речовини, необхідні для знаходження високотемпературних теплофізичних характеристик рідких металів методом електричного вибуху провідників.

5. Вперше показано, що в циліндричних провідниках при швидкому падінні струму (або електромагнітного поля) густина струму максимальна в центральному шарі провідника, тоді як скін - ефект має місце лише при наростанні струму.

6. Вперше розроблено та застосовано для знаходження температурних залежностей питомої теплоємності, густини й електропровідності рідких міді, нікелю та вольфраму метод синхронної реєстрації часових залежностей термодинамічних величин (температури та густини) в процесі електричного вибуху пірометром спектрального відношення з урахуванням кінцевої ширини пропускання інтерференційних фільтрів і апаратних функцій каналів пірометра.

7. Запропоновано єдиний підхід до опису надшвидких, швидких і повільних електричних розрядів у провідних і діелектричних конденсованих середовищах як хвиль фазових перетворень (плавлення, випаровування та іонізації), що дозволяє класифікувати розряди за принципом кількісної відмінності спектрів швидкостей розповсюдження та ширини фронтів хвиль фазових перетворень.

Практичне значення одержаних результатів.

· Розвинуто електровибуховий метод одержання нановуглецевих матеріалів і розроблено рекомендації для створення нових електророзрядних нанотехнологій синтезу фулеренів, наноалмазу та вуглецевих нанотрубок.

· Запропоновано електровибуховий метод одержання мастила, що містить фулерени в якості протизносної та антифрикційної присадки. Показано, що застосування в якості присадки до мастил отриманого нановуглецевого матеріалу (0,1 мас. %), який містить фулерени та наноалмаз, для вузлів кочення та ковзання приводить до зменшення коефіцієнта тертя для пари сталь-сталь на 25 %, при цьому знос поверхонь зменшується в 4 рази.

· Запропоновано достовірний метод синхронної реєстрації часових залежностей термодинамічних величин пірометром спектрального відношення, який може бути використано для дослідження динаміки нагрівання та розширення об'єктів, що нагрівають іншими імпульсними методами.

· Результати роботи можуть бути використані для розрахунків швидкодіючих вибухових розмикачів.

· Результати дисертаційної роботи впроваджені на СП ТОВ “Мікасс - ДП” при створенні електророзрядного устаткування для отримання нановуглецевих матеріалів, що містять алмазоподібні фази.

· Результати дисертаційної роботи впроваджені на приватному підприємстві (Харківська обл.) при розробці електророзрядного устаткування для отримання нановуглецевих матеріалів, які містять фулерени та наноалмаз.

· Результати дисертаційної роботи використані на державному підприємстві “Науково-виробничий комплекс газотурбобудування “Зоря-Машпроект”” (м. Миколаїв) при вирішенні проблеми очищення гальваностоків від іонів важких металів високовольтними електричними розрядами в реакторах з гранульованим металозавантаженням.

· Результати дисертаційної роботи використовують у навчальному процесі підготовки бакалаврів, спеціалістів і магістрів за фахом “Техніка і електрофізика високих напруг” кафедри “Імпульсні процеси і технології” Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова.

Особистий внесок автора. Наукові положення та результати, які представлено в дисертаційній роботі, належать особисто автору. Здобувачем особисто розроблено наукові основи електровибухової обробки вуглецевих матеріалів; запропоновано електророзрядні та розвинуто електровибухові методи отримання нановуглецевих матеріалів (фулеренів, наноалмазу та ін.); розроблено рекомендації для створення електровибухової технології синтезу нановуглецевих матеріалів (фулеренів, вуглецевих нанотрубок і наноалмазу), розраховано енергоспоживаючі та технічні характеристики електроустаткування для одержання нановуглецевих матеріалів; розвинуто теорію взаємодії потужного електророзрядного імпульсу струму з конденсованою речовиною; запропоновано та обґрунтовано новий метод реєстрації розширення циліндричних провідників у процесі істотно нестаціонарного нагрівання імпульсним струмом та розрахунку густини, температури та тиску, а також температурних залежностей тепло- та електрофізичних характеристик рідких металів; визначено електрофізичні процеси, які обумовлюють структурно-фазові перетворення вуглецю в процесі електровибуху; .

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародних конференціях, наукових школах і семінарах, зокрема, на: ІV Міжнародній конференції “Матеріали та покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва та утилізація виробів” (с. Жуковка, 2006 р.); XII International Conference Hydrogen Materials Science & Chemistry of Carbon Nanomaterials (м. Севастополь, 2005 р.); V Міжнародній конференції “Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология” (Москва, октябрь 2006 г.); V Всесоюзній науково - технічній конференції “Електричний розряд у рідині та його застосування в промисловості” - (м. Миколаїв, 1992 р.); ХХI Міжнародній конференції “Уравнения состояния вещества” (с. Ельбрус, 2006 р.); II Міжнародній науковій школі-семінарі “Імпульсні процеси в механіці суцільних середовищ” (м. Миколаїв, 1996 р.); VII і VIII наукових і IХ, Х, ХI і ХIІ міжнародних наукових школах - семінарах “Фізика імпульсних розрядів у конденсованих середовищах” (м. Миколаїв, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003 і 2005 р.р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано більше 40 наукових праць, у тому числі 21 стаття в наукових фахових виданнях України та іноземних провідних наукових журналах, 1 препринт, одержано 4 патенти.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку з документами про впровадження. Повний об'єм роботи складає 326 сторінок, об'єм основного змісту роботи - 269 сторінок. Робота містить 89 рисунків, 19 таблиць, список використаних джерел із 267 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання досліджень. Визначено об'єкт і методи досліджень, охарактеризовано наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. Відзначено зв'язок роботи з науковими програмами. Представлено особистий внесок автора у вирішення проблеми. Наведено відомості про апробацію роботи та публікації основних результатів.

У першому розділі дисертації викладено докладний аналіз сучасного стану та напрямків розвитку досліджень електрофізичних процесів, які супроводжують високовольтний електричний розряд у конденсованих середовищах. Проведено аналіз результатів дослідження процесів взаємодії потужних електророзрядних імпульсів струму з речовиною, високотемпературних теплофізичних властивостей металів електровибуховим методом і фазових перетворень в процесі високовольтного електричного розряду, а також аналіз відомих методів і фізико - технічних процесів одержання нановуглецевих матеріалів (фулеренів, вуглецевих нанотрубок і наноалмазу).

Другий розділ присвячено розвитку теорії та методів діагностики процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсного струму з конденсованою речовиною, отриманню та аналізу радіальних розподілів швидкозмінних струмів і полів у циліндричних провідниках, пошуку режимів однорідного нагрівання речовини в процесі електровибуху провідників та розробці нового методу реєстрації їх електричних і термодинамічних параметрів з метою отримання температурних залежностей електро- та теплофізичних характеристик рідких металів.

Досліджуються радіальні неоднорідності, що виникають в циліндричному провіднику при швидкому “включенні” струму I(t) ~ ebt або його “виключенні” I(t) ~ e-bt, де b - коефіцієнт наростання або спадання струму. Процес дифузії електричного поля напруженістю можна описати рівнянням

,

де - магнітна проникність; - електропровідність.

У циліндричних координатах для подовжньої компоненти електричного поля Ez і для z - компоненти густини струму j=Ez рівняння дифузії (1) має вигляд

.

Для циліндричного провідника радіуса a методом розкладання в ряд отримано розв'язок рівняння

,

де ,

- товщина скін-шару.

З (3) витікає, що при різкому спаді струму та струм тече по всьому провіднику, а в поверхневому шарі густина струму менше, ніж на осі.

Реальний провідник при протіканні струму нагрівається й тому розширяється. У цьому випадку процес дифузії магнітного поля в нескінченно довгий циліндричний провідник має вигляд

,

де - компонента магнітної індукції, v - радіальна швидкість розширення.

Інтерес становить аналітичний розв'язок рівняння (4) для випадку, коли нестаціонарна гранична умова на поверхні провідника має вигляд B(а,t)=B0sint, -частота. Загальний вигляд одержаного методом розкладання в ряд наближеного розв'язку для випадку v = 0

- при зростанні поля ();

- при убуванні поля (),

,

,

й

функції Бесселя першого роду, - глибина проникнення поля.

Використовуючи рівняння Максвелла , одержимо радіальний розподіл густини струму для провідника

, ,

, .

Одержані раніше аналітичні розв'язки не описують виявленого ефекту, сутність якого полягає в тому, що при й убуванні зовнішнього поля струм тече, в основному, в центральній частині циліндричного провідника.

За виразами (5)-(8) побудовано радіальні розподіли індукції магнітного поля та густини струму в різні моменти часу. При зростанні поля криві розподілу магнітної індукції увігнуті, а при убуванні - опуклі.

Аналітичний розв'язок рівняння (4) для v ? 0 одержано для однорідного розширення провідника (, v = qr, де q - коефіцієнт, що характеризує розширення провідника)

,

.

Як випливає з виразу (10), у провіднику , що повільно розширяється (q << b), при виконанні умови 0,25ba2 >> 1 виникає скін-ефект першого типу, ширина скін-шару якого j = 0,5(b)-1/2.

При швидкому розширенні провідника може виникнути радіальна неоднорідність густини струму другого типу, яка обумовлена одночасною швидкою зміною струму та радіусу провідника; при виконанні умови q>b >>(0,25a2)-1 характерний розмір цієї неоднорідності =(q)-1/2.

Показано, що в циліндричних провідниках скін-ефект може мати місце тільки при різкому зростанні струму, а при убуванні відбувається перерозподіл струму з поверхневого шару в центральний. Для реального провідника, в якому зміна струму та закон розширення довільні, еволюція густини струму знайдена чисельно.

Система рівнянь, що моделює процес нагрівання циліндричного провідника в електричному колі з ємністю С й індуктивністю L, має вигляд

 ,

, ,

, ,

де - густина; Р - тиск; - питома внутрішня енергія; Т - температура; R - опір провідника; - коефіцієнт теплового розширення; 0 - густина при температурі T0; 0 - електропровідність при температурі T0; - температурний коефіцієнт електропровідності.

Початкові умови задавалися в момент включення струму

,

(0,r) = 0; T(0,r)= T0 ; v(0,r)= 0; B (0,r) = 0; j (0,r) = 0,

де U0 - зарядна напруга.

Гранична умова на осі провідника - умова циліндричної симетрії, а на зовнішній межі (у припущенні зануреного провідника в безмежне водне середовище) - незбурені параметри води при кімнатній температурі.

В момент закінчення плавлення t = t0 початкові умови мають вигляд

,

,

де - густина рідкого провідника при температурі плавлення ,

0 -електропровідність рідкого провідника при .

На початковій стадії електровибуху опір твердого провідника швидко зростає. Часові залежності струму і напруги можуть бути одержані експериментально у вигляді осцилограм, проте для прогнозування результату дії потужного імпульсу струму на речовину необхідно одержати аналітично залежності I(t), R(t), T(t) і Р(t). Для твердого провідника методом розкладання в ряд з системи рівнянь (11)-(13) одержано наближені часові залежності електричних і термодинамічних параметрів

, ,

,

,

,

,

де , P(a,t) - зовнішній тиск.

Для рідкого циліндричного провідника знайдено наближений розв'язок системи рівнянь (11) - (13) у вигляді рядів



;

Досліджено радіальну однорідність нагрітого до рідкого стану мікросекундним імпульсом струму циліндричного провідника. З (17), (18) витікає, що існування слабо неоднорідних радіальних розподілів густини струму в рідкому провіднику до початку кипіння можливе при виконанні наступних умов

q <b0<< 4(a2)-1, F << [( -1)A]-1, F << , F<< (А)-1, F << (b0 )-1;

де - час нагрівання металу від температури плавлення до температури кипіння Тb.

Найбільший ступінь однорідності досягається у разі I I0 протягом всього часу нагрівання рідкого провідника (до початку кипіння). Отримано умову для густини струму , при виконанні якої радіальна однорідність зберігається.

Неоднорідність густини рідкого провідника, яка пов'язана з впливом магнітного тиску (що має максимум на осі), згідно оцінці, проведеній для вольфраму, виникає при j 2·109 /a. Критична густина струму jcr, при якій ще зберігається радіальна однорідність всіх характеристик рідкого металу, для вольфрамових провідників, радіус яких а < 1 мм, дорівнює jcr ~ 1012 A/м2.

Було промодельовано вибух вольфрамового провідника (початковий радіус a0= 0,175 мм, довжина провідника l = 0,087 м, індуктивність L = 4,5 мкГн, ємність С = 6 мкФ, енергетику вибуху змінювали за допомогою варіації початкової напруги).

Порівняння одержаних аналітичними та чисельними методами радіальних розподілів густини струму в провіднику (рис. 3) для різних початкових напруг, у моменти часу, близькі до початку кипіння поверхні провідника, показало незначну розбіжність між результатами. Відносна величина відхилення радіального розподілу температури та густини рідкого металу від однорідного не перевищує 10 %

Знайдено умови існування радіальної однорідності, що необхідно для вивчення теплофізичних властивостей рідких металів методом електровибуху провідників.

Синхронне вимірювання інтегральних параметрів провідника та електричного кола (струму I(t), напруги U(t), радіусу а(t)), максимального тиску P(t) і температури T(t)) в процесі однорідного нагрівання провідника дозволяє досліджувати еволюцію його термодинамічного стану та теплофізичних характеристик речовини при високих температурах.

У даній роботі для дослідження високотемпературних станів металів був використаний пірометр спектрального відношення.

Тепловий стан провідника, який вибухає, можна охарактеризувати умовною температурою - інтегральною колірною температурою Tic, яка при використанні пірометра спектрального відношення з різними парами інтерференційних світлофільтрів може бути визначена наступним виразом, який дозволяє врахувати кінцеву ширину пропускання світлофільтрів,

,

де (,T) - випромінювальна здатність; - довжина хвилі; - спектральна густина випромінювання чорного тіла (формула Планка); C1 і C2 - постійні формули Планка; 1j,2j - апаратні функції каналів пірометра; (ai*,bi*) - робочий інтервал i-го інтерференційного світлофільтру.

Запропоновано розраховувати інтегральну колірну температуру для кожного моменту часу методами чисельного інтегрування з рівняння

,

де b1,2(i) - сигнали i-го каналу пірометра; Sij - коефіцієнт відносного градуювання чутливостей каналів пірометра (для кожної пари світлофільтрів).

Запропоновано новий метод реєстрації динаміки розширення провідника з використанням показників пірометру спектрального відношення

,

Tic0 = Tic (t0) .

Результати синхронного вимірювання електричного струму, напруги, температури та радіусу провідника дозволяють розрахувати також часові залежності радіального розподілу магнітного тиску

та температурні залежності ентальпії H(t), питомої теплоємності с(t), густини (t) і електропровідності (t) рідких металів



,

,

,

де m - маса провідника, l - довжина провідника.

Застосування запропонованого методу для вимірювання температури та розширення провідника, а також синхронне вимірювання напруги та струму в процесі однорідних мікросекундних режимів електровибуху мідних і нікелевих провідників показало, що запропонований метод реєстрації температури, тиску та радіусу провідника виявився ефективним засобом отримання достовірної інформації про теплофізичні властивості рідких металів. Завдяки удосконаленням методики розрахунку температури та радіусу (облік кінцевої ширини пропускання інтерференційних фільтрів і апаратних функцій каналів пірометра, використання чисельних методів), вдалося значно зменшити погрішність визначення як термодинамічних параметрів (температура, густина), так і температурних залежностей електро- та теплофізичних характеристик рідких металів.

Одержано температурну залежність ентальпії вольфраму в інтервалі температур від плавлення до кипіння H = -0.24 + 2,9210-4T, МДж/кг. Лінійність температурної залежності ентальпії дозволяє зробити висновок про незалежність питомої теплоємності рідкого вольфраму від температури с = (292±20) Дж/(кгК). Питома теплота плавлення вольфраму дорівнює стрибку ентальпії при плавленні провідника m*= 0,230 МДж/кг. В інтервалі температур від плавлення до кипіння величина питомої електропровідності рідкого вольфраму змінюється від 0,755 до 0,690 МСм/м. Для питомого електричного опору рідкого вольфраму має місце наступне співвідношення , де = 1,398 мкОмм, 3800 < T < 5800 К. Температурну залежність питомого електричного опору (або електропровідності) з урахуванням розширення провідника одержано вперше. Визначено температурні коефіцієнти розширення = (4,0 ± 0,4)10-5 К-1 та електропровідності = (2,0 ± 0,4)10-5 К-1. Одержані температурні залежності густини рідкого вольфраму виявилися достовірнішими з погляду сумісності за оцінкою параметрів критичної точки. Достовірність результатів вимірювання температури та радіусу провідників перевірена також методом порівняння з розрахованими за одержаними аналітичними виразами величинами та результатами чисельного розв'язку МГД-системи рівнянь (11) - (13) з використанням напівемпіричних рівнянь стану.

У третьому розділі досліджено фазові перетворення в діелектриках і напівпровідниках у сильних електричних полях, запропоновано єдиний узагальнюючий підхід до опису різних типів електричного розряду (електричний пробій (ЕП) і ЕВП)), що характеризує їх як процес генерації та розповсюдження фазових перетворень по речовині.

Дія сильних електромагнітних полів і струмів на конденсовані середовища може привести до наступних видів фазових переходів: плавленню та (або) випаровуванню - при ЕП твердих (або рідких) слабопровідних середовищ і ЕВП або діелектрик напівпровідник або напівпровідник метал - при електричних розрядах у діелектриках і високоомних напівпровідниках.

Розповсюдження в високоомних діелектриках і напівпровідниках плазмових каналів з надзвуковими швидкостями, що перевищують також і дрейфові швидкості носіїв струму, вказує на хвильовий характер процесів, що протікають при електричних (частіше наносекундних) розрядах в результаті виникнення іонізаційних хвиль, для швидкості яких одержано наближений вираз

,

де w0(E,T) - максимальна швидкість іонізації; дЕ - характерний розмір неоднорідності електричного поля; v0 = vmax - максимальна швидкість електронів; n0 = nmax.

Електричний пробій низькоомних твердих і рідких середовищ при мікросекундних експозиціях напруги може розвиватися також унаслідок плавлення, випаровування та іонізації речовини. Фазові переходи тверде тіло рідина газ плазма в даному випадку відбуваються послідовно, один за одним, в області неоднорідності електричного поля внаслідок джоулівого розігрівання. Швидкість розповсюдження фазових перетворень можна розрахувати за наближеною формулою

де - повна зміна питомої внутрішньої енергії речовини.

Швидкість розряду, що розвивається внаслідок фазових перетворень, не може перевищувати швидкості звуку, оскільки фазові перетворення в конденсованих середовищах супроводжуються зміною об'єму.

Четвертий розділ дисертації присвячено дослідженню фазових перетворень в процесі швидких (частіше мікросекундних) й надшвидких (частіше наносекундних) режимів ЕВП, а також особливостей електровибуху графітових провідників.

При слабонеоднорідних режимах ЕВП усі характеристики циліндричного провідника як у твердому, так і в рідкому стані, однорідні, окрім магнітного тиску (див. (15) і (19)). Об'ємне кипіння неможливе навіть при однорідному режимі нагрівання, оскільки температура кипіння сильно залежить від тиску. Процес випаровування відбувається у вигляді хвилі, яка рухається від зовнішньої поверхні до осі провідника. Знайдено товщину перехідного шару рідина-газ де * - скрита теплота випаровування; ; - зміна тиску з температурою уздовж кривої фазової рівноваги рідина-газ.

Оскільки температура провідника однорідна до початку кипіння, то зміна питомої внутрішньої енергії на фронті хвилі фазових перетворень = *, а швидкість її розповсюдження визначається виразом

,

.

Виразами (28) і (29) можна також користуватися для оцінки швидкості хвилі плавлення та товщини перехідного шару твердий метал рідина. При P << а в провіднику формуватиметься хвиля фазового перетворення, а при P > а - плавлення або випаровування відбуватимуться однорідно в усьому об'ємі провідника.

Результати чисельного експерименту для різних режимів нагрівання вольфрамового циліндричного провідника (a0 = 0,175 мм, l = 0,087 м, L = 4,5 мкГн, С = 6 мкФ, U0 змінювали від 1 до 300 кВ) показали, що при густині струму 1011 < j < 1012 А/м2 радіальна однорідність температури, густини струму та густини металу дійсно має місце до моменту різкого зростання напруги ts. Проведене порівняння результатів експериментальних даних з результатами математичного моделювання для струму та падіння напруги на розрядному проміжку показало їх ідентичність майже до завершення випаровування.

Різке зростання напруги обумовлено початком інтенсивного випаровування. При t > ts радіус рідкої серцевини провідника, яка проводить електричний струм, різко зменшується at = as - ut, де t = t - ts - час розповсюдження хвилі випаровування по провіднику. При цьому струм до моменту досягнення хвилею випаровування центру провідника зменшується на порядок. Оцінка швидкості розповсюдження та ширини фронту хвилі випаровування за виразами (28) і (29) дає u 48 м/с, Р 510-5 м у точці r = a/2, що узгоджується з експериментальними даними та результатами чисельного експерименту. Механізмом швидких режимів однорідного електричного вибуху провідників є пошарове випаровування, що розповсюджується зі швидкістю u 1560 м/с.

При надшвидких режимах ЕВП виникає сильна неоднорідність розподілу струму,

пов'язана з утворенням і вибухом скін - шару струму по провіднику

В цьому випадку струм тече в основному в скін-шарі.

Швидкість виділення енергії визначається швидкістю джоулівого нагрівання w(E)=E2/. Тоді з (27) одержимо вираз для оцінки швидкості так званої хвилі струму по провіднику

,

де - зміна внутрішньої енергії металу в скін-шарі; j - характерний розмір неоднорідності густини струму.

Механізмом переміщення хвилі є витіснення струму зі скін - шару, в якому густина, а, отже, і електропровідність при нагріванні металу струмом високої густини різко падає, унаслідок чого відбувається перерозподіл струму в провіднику.

Запропонована напівфеноменологічна теорія дозволяє описати процеси, що відбуваються в конденсованих середовищах під дією сильного електричного поля, та оцінити характерні швидкості їх розвитку. Схожість ЕВП і ЕП полягає в однаковому механізмі їх реалізації - розповсюдженні хвиль фазових перетворень, на фронті яких електропровідність речовини значно змінюється: при ЕВП - різко падає, при ЕП - зростає на декілька порядків.

Дослідження електровибуху металевих і графітових провідників проводили на експериментальному стенді, електрична схема якого представлена на. До його складу входять автотрансформатор АОМН-40-220-75, що забезпечує плавне регулювання напруги первинної обмотки трансформатора-випрямляча ОМТВ-5/50-У4, з вихідного випрямляча якого через зарядний опір RЗ здійснюється зарядка ємнісного накопичувача енергії С1. електровибуховий нановуглецевий термодинамічний радіальний

Комутатором служив повітряний кульовий розрядник УР, на який з блоку підпалу БП подавався імпульс високої напруги.

Електричними датчиками були коаксіальний низькоомний шунт RШ та ємнісний екранований дільник ZД1/ZД2..

Реєстрацію електричних сигналів здійснювали двохпроменевим осцилографом С8-17.

Було проведено серію експериментальних досліджень ЕВП у рідких діелектриках при різних режимах (зарядні напруги змінювали від 9,8 до 50 кВ, ємності конденсаторів - від 1 до 36 мкФ, індуктивність - від 1 до 3 мкГн).

Осцилографування струмів і напруг для різних металевих і графітових провідників при зміні параметрів електричного кола показало, що формування та розвиток в них електричного розряду відбувається по-різному. Усі режими електровибуху графітових провідників можна розділити на два основні типи - режими, подібні пробою, (рис. 6,а) та режими, при яких реалізується електровибух, (рис. 6,б). Осцилограми, характерні для електровибуху, в свою чергу, можна розділити на декілька видів: режими з паузою струму (при W0 Ws,де W0 - запасена енергія, Ws - енергія сублімації провідника, рис. 6,б); без пробою по продуктах вибуху (W0 Ws, рис. 6,в); без паузи струму (W0 Ws, рис. 6,г); узгоджені режими (W0 Ws, рис. 6,д,е).

Одержавши величину першого максимуму струму в процесі електровибуху графітових провідників, можна обчислити магнітний тиск. Якщо набуті значення тиску не перевищують величини P* = 2·107 Па, то, як випливає з фазової діаграми вуглецю, при цих режимах ЕВП графіт не переходить в рідкий стан, а відбувається випаровування (сублімація) твердого графіту. Оскільки тиск розподілений по радіусу провідника неоднорідно, а температура випаровування залежить від тиску, то сублімація може бути об'ємною або розповсюджуватися у вигляді хвилі.

Характерний розмір P радіальної неоднорідності провідника, пов'язаної з неоднорідністю тиску, знаходимо для кожного режиму і радіусу провідника з виразу (28). Якщо P > a, то можна зробити висновок про реалізацію об'ємного (квазіоднорідного) випаровування графітового стрижня, можливість якого пов'язана в даному випадку зі слабкою залежністю температури сублімації графіту від тиску.

При великих початкових напругах максимальні значення тиску , тоді при температурі поверхні провідника Т > 4200 К провідник стає неоднорідним, оскільки зовнішній шар провідника випаровується, а внутрішні плавляться і переходять в рідкий стан. Осцилограми таких видів ЕВП показано на рис. 6,б,г - з пробоєм і на рис. 6,в - без пробою. При узгодженому режимі ЕВП (рис. 6,д) нагрівання провідника приводить до плавлення, реалізації рідкої фази графіту та кипіння, при цьому запасена енергія дорівнює сумі енергій плавлення та випаровування серцевини провідника й сублімації поверхневого шару, в якому Р < P*. Характерною особливістю узгодженого режиму ЕВ графітових провідників мікросекундної тривалості є існування режимів з однорідним випаровуванням.

Пари графіту не проводять струм і утворюють парогазову порожнину, яка оточена рідиною. У міру розширення парогазової порожнини тиск і густина пари в ній зменшуються, що створює умови для іонізації, тобто електричного пробою, про що свідчить проведений аналіз фотограм ЕВ графітового провідника (на фоні імпульсу освітлення), за допомогою високошвидкісного фотореєстратора СФР-М у режимі лупи часу.

Питома енергія сублімації графіту ws залежить від концентрації у вуглецевій парі атомів і багатоатомних молекул вуглецю. Показано, що випаровування вуглецю у вигляді багатоатомних молекул - кластерів вуглецю відбувається при низькоенергетичних режимах електровибуху графітових провідників з паузою струму (W0 < Ws, P < P*, Дж/кг). При високоенергетичних режимах електровибуху (W0 > Ws, P > P*, Дж/кг) відбувається плавлення графіту в центральних шарах провідника та випаровування поверхневих шарів у вигляді атомів вуглецю.

У п'ятому розділі викладено наукові основи електровибухової обробки матеріалів з метою синтезу нових наноматеріалів в результаті структурно-фазових перетворень речовини, розглянуто еволюцію термодинамічного стану та структурно-фазові перетворення вуглецю графіт алмаз і графіт фулерени в процесі дії потужного електророзрядного імпульсу струму, наведено результати досліджень продуктів, які отримані в результаті високо- та низькоенергетичних режимів електровибухової та електророзрядної обробки матеріалів, що містять вуглець.

Синтез нових фаз речовини (наприклад, надтвердих фаз вуглецю) в процесі електровибуху пов'язаний зі створенням в центральному шарі провідника високих тиску та температур.

Одержано розв'язки системи рівнянь (11) - (13) для твердої та рідкої фаз, а також для плавлення речовини дозволили (після виключення часу з залежностей P(t) і T(t)) знайти її фазові траєкторії (P,T- умови) в процесі однорідного нагрівання потужним імпульсом струму

при T < Tm,,

при T = Tm,

Pfconst при T < Tb,

,

,

.

Перехід до питомих характеристик речовини дозволив одержати наступний вираз для максимального магнітного тиску

при Tm < T < Tb.

З (31)-(33) витікає, що фазові траєкторії різних речовин співпадають при таких комбінаціях m, с, a0, R0, Tm - T0,,U0 і L, для яких величини, розраховані за виразом (32), рівні. А для однакових речовин, згідно виразу (34), фазові траєкторії співпадуть, якщо значення виразу будуть однакові при різних значеннях величин, що входять в вираз і характеризують вихідні радіус провідника та швидкість наростання струму . Тоді критерієм ідентичності фазових траєкторій речовини при різних запасених енергіях є величина .