книги / Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме
..pdfУДК 621.762:544.556.1 Б69
Блинков И.В., МанухинА.В.
Б69 Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме. —М.: • МИСИС •, 2005. —367 с.
ISBN 5-87623-156-8 (в пер.)
В книге изложены научно-технические основы процессов получения нанодисперсных и гранулированных порошков металлов и соединений в импульсной плазме. Сформулированы особенности и некоторые преимущества использования плазмы данного вида электрического разряда по сравнению с плазмой стационарных электрических разрядов в этих процессах. Предложены теоретические (расчетные) методы определения параметров импульсной плазмы, приведены результаты исследований явлений струкгуро- и фазообразования при получении наноразмерных и гранулированных порошков. Обобщены свойства продуктов плазмохимических реакций и показана их связь с управляемыми параметрами процесса.
Предназначена для научных работников, инженеров, аспирантов и студентов старших кур сов, специализирующихся в области порошковой металлургии, наноматериалов, физико-хими ческих процессов получения металлов и соединений с использованием низкотемпературной плазмы.
УДК 621.762:544.556.1
ISBN 5-87623-156-8 |
© |
Блинков И.В., Манухин А.В., 2005 |
|
© |
МИСиС, 2005 |
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.
На сегодня большинство плазменных технологий базируется на наиболее изученных и традиционно используемых для генерации плазмы электрических разрядах постоянного и переменного токов промышленной частоты, ВЧ- и СВЧ-разрядах.
Несомненный интерес представляют импульсные источники плазмы. Ис пользование их для генерирования плазмы при мощности источникдв электро энергии в десятки киловатт дает возможность в импульсе плазмы, длящемся Ю Л .К Г5 с, получить пиковые мощности от десятков до тысяч мегаватт и на греть плазму до (4...5)- 104 К с последующей автозакалкой ее со скоростями 107...108К/с.
Результаты исследований физических процессов в импульсных разрядах, раз витие представлений о формировании импульсной дуги в газодисперсных сре дах (в том числе работы авторов) дали возможность перейти к использованию импульсной плазмы для модифицирования и получения порошков различных материалов путем обработки дисперсных и газовых сред.
Расширение использования импульсной плазмы в этом направлении требует адекватного описания ее теплового и динамического воздействия на исходные реагенты, определения факторов, влияющих на выход целевых продуктов и свойства синтезированных порошков и материалов, подвергнутых плазменной обработке.
В настоящей книге представлены результаты исследований процессов в им пульсной плазме конденсаторного разряда, их математическое моделирование. Показаны результаты воздействия плазмы на вводимое в нее вещество, а так же струкгуро- и фазообразование при формировании конечных продуктов плаз менных процессов получения и модифицирования материалов. Показана взаи мосвязь свойств с управляемыми параметрами процесса. Даны рекомендации по принципам построения технологических процессов модифицирования мате риалов и получения нанодисперсных и гранулированных порошков в импульс ной плазме, а также возможные области их применения.
Введение, гл. 1, 2, 4—6, заключение написаны И.В. Блинковым, гл. 3 — А.В. Манухиным.
В
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.