Малогабаритная высоковольтная установка для исследования гидроксиапатита на электрический пробой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Малогабаритная высоковольтная установка для исследования гидроксиапатита на электрический пробой

А.А. Бобылев,

И.Н. Антонов

Аннотации

В статье описывается эксперимент по электрическому пробою гидроксиапатита. Полученные данные, позволяют определить необходимый диапазон выходного напряжения. На основании полученного диапазона, предлагается электрическая схема малогабаритной высоковольтной установки для исследования этого материала.

Ключевые слова: пробой диэлектрика, гидроксиапатит, высоковольтная установка.

SMALL-SIZE HIGH-VOLTAGE INSTALLATION FOR THE INVESTIGATION OF HYDROXYAPATITE ON ELECTRIC SURGE

A.A. Bobylev, I.N. Antonov

Saratov State Technical University named after Gagarin Yu. A.

Abstract. The article describes an experiment on electric breakdown of hydroxyapatite. The obtained data allow to determine the required range of output voltage. Based on the obtained range, an electrical circuit of a small-sized high-voltage installation is proposed for the investigation of this material.

Key words: dielectric breakdown, hydroxyapatite, high-voltage installation.

Пробоем диэлектрика называют такое его состояние, когда диэлектрик при некотором значении напряженности электрического поля утрачивает свои электроизоляционные свойства. В диэлектрике образуется канал проводимости.

Следствием пробоя является ток короткого замыкания Iкз, который не зависит от природы диэлектрика и определяется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Ток короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика, в результате которого образуется сквозное проплавленное отверстие.

В случае пробоя газообразных или жидких диэлектриков в результате подвижности молекул после снятия напряжения "пробитый" участок восстанавливает свои первоначальные свойства и такой диэлектрик можно использовать вновь.

Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением Unp, а напряженность электрического поля в данном случае характеризует электрическую прочность Епр диэлектрика.

Гидроксиапатит (HA) представляет собой соединение, химический состав которого аналогичен формуле (Са 10(Р 04)6(ОН)2). Гидроксильные группы гидроксиапатита могут быть заменены на фторид или хлорид, что приводит к фторапатиту или хлорапатиту. Гидроксиапатит кристаллизуется в гексагональной сингонии и имеет удельный вес 3,08. Чистый гидроксиапатит представляет собой порошок белого цвета. Природные апатиты, однако, могут иметь коричневые, желтые или зеленые окраски. В человеческом организме, гидроксиапатит является составляющим компонентом зубов и костей. Таким образом, он широко используется в качестве наполнителя в случае замены ампутированной кости или в качестве покрытия для ускорения срастания кости и протезных имплантатов.

В дополнение к сказанному, гидроксиапатит нетоксичен и биосовместим, то есть не распознается организмом как инородный материал и, что самое главное, он проявляет биологически активные свойства и интегрируется в живую ткань аналогично процессам, происходящим при реконструкции здоровой кости в естественных условиях. Известно также о его остеокондуктивных свойствах, то есть способности выступать в качестве матрицы для образования новой костной ткани.

Исследование диэлектрических свойств гидроксиапатита проводилось следующим образом. Были изготовлены специальные таблетки разной толщины, методом прессования порошка гидроксиапатита.

Таблица 1. - Толщины испытуемых образцов

Рисунок 1. - Образец спрессованного порошка гидроксиапатита

Данные таблетки были испытаны на электрический пробой при помощи испытательной установки АИД-70. Образцы помещались между двух электродов в неоднородное электрическое поле постоянного тока (рисунок 2).

Рисунок 2. - Конструкция электродов для получения неоднородного электрического поля: 1 - электроды, 2 - держатель электродов выполненный из текстолита, 3 - испытуемый образец

Напряжение повышалось до момента пробоя образца. Пробивное напряжение каждого образца фиксировалось. Таким образом была получена зависимость пробивного напряжения от толщины образца, представленная на рисунке 3. электрический пробой гидроксиапатит

Таблица 2. - Значения полученные в ходе эксперимента

Рисунок 3. - Зависимость пробивного напряжения от толщины образца

В ходе проведения эксперимента, были получены значения пробивных напряжений гидроксиапатита. Эти значения позволяют задать параметры установки, то есть значение напряжения, подаваемое на электроды. Исходя из этого, предлагается следующая электрическая схема для разрабатываемой установки.

Рисунок 4. - Принципиальная электрическая схема установки

В схеме устройства на транзисторе VT1 и трансформаторе T1 собран импульсный преобразователь напряжения. Автогенератор работает на частоте 30 кГц. После преобразования напряжения и выпрямления диодами VD4 и VD5 на конденсаторе C4 выделяется постоянное напряжение до 2500 В.

Питается схема от аккумуляторов типа Д-0,26, обозначенные на схеме как GB1 и GB2 и потребляют ток не более 100 мА. Элементы схемы, выделенные пунктиром, являются бестрансформаторным зарядным устройством от сети 220 В. Для подключения режима подзаряда используется шнур с двумя соответствующими вилками. Светодиод HL1 (АЛ 102А) является индикатором наличия напряжения в сети, а диод VD3 (КД 521А) предотвращает разряд аккумуляторов через цепи зарядного устройства, если оно не включено в сеть.

В схеме использованы детали: транзистор VT1 типа КТ 829А, диодный мост - КЦ 407А, диод VD2 - КС 168А, диоды VD4 и VD5 - КД 247Ж, потенциометр R5 - ППЗ-40, резисторы МЛТ, конденсаторы С 1 типа К 73-17В на 400 В, С 2 - К 50-16 на 25 В, С 3 - К 10-17, С 4 - МБМ на 3000 В. Высоковольтный конденсатор (С 4) применять других типов не рекомендуется, так как ему приходится работать в жестком режиме (разряд почти коротким замыканием), который долго выдерживают только эти серии.

Трансформаторы являются самодельными и намотка в них начинается со вторичной обмотки. Процесс изготовления потребует аккуратности и намоточного приспособления. Трансформатор Т 1 выполняется на диэлектрическом каркасе, вставляемом в броневой сердечник Б 26, из феррита М 2000НМ 1. Он содержит в обмотке 1 - 6 витков, 2 - 20 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,18 мм, в обмотке 3 - 1800 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,1 мм. При намотке 3-й обмотки необходимо через каждые 400 витков укладывать конденсаторную диэлектрическую бумагу, а слои пропитывать конденсаторным или трансформаторным маслом. После намотки катушки вставляем ее в ферритовые чашки и склеиваем стык. Места выводов катушки заливаются разогретым парафином или воском.

В настоящее время используются аппараты и установки, которые содержат крупногабаритные узлы, что в свою очередь делает установку громоздкой. Предлагаемая установка, имеет некоторые преимущества перед известными моделями. Она обладает достаточно малыми габаритами, и благодаря этому, гораздо упрощается ее транспортировка, монтаж и обслуживание. В то же время предлагаемая модель обладает некоторыми недостатками, такие как: низкая граница максимального выходного напряжения и невозможность получения высокого переменного и высокого импульсного напряжения.

Библиографический список

1. Сканави, Г.И. Физика диэлектриков / Г.И. Сканави. - М.: Изд-вофиз.-мат.лит-ры, 1958. - 907 с.

2. Воробьев, Г.А. Физика диэлектриков (область сильных полей), конспект лекций / Г.А. Воробьев. - Томск.: Изд-во ТГУ, 1977. - 251 с.

3. Метвалли, Х.А. Физико-химические закономерности синтеза субмикронных частиц ватерита и их применение в композитах / Х.А. Метвалли. - Саратов.: Изд-во СГУ, 2015. - 18 с.

4. Важов, В.Ф. Техника высоких напряжений / В.Ф. Важов. - Томск.: Изд-во ТПУ, 2008. - 79 с.

Размещено на Allbest.ru