Кускова Наталя Іванівна. Процеси взаємодії потужного електророзрядногоімпульсу струму з конденсованою речовиною

Краткое описание

Кускова Наталя Іванівна. Процеси взаємодії потужного електророзрядногоімпульсу струму з конденсованою речовиною. : Дис... д-ра наук: 05.03.07 2007

Кускова Н.І.Процеси взаємодії потужного електророзрядного імпульсу струму з конденсованою речовиною. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.03.07 процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”. Київ, 2007.
Дисертація присвячена створенню наукових основ електровибухової обробки матеріалів, розвитку теорії та методів діагностики процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсного струму з конденсованою речовиною та розробці електровибухових методів синтезу нановуглецевих матеріалів (фулеренів, наноалмазу та ін.), який відбувається в результаті структурно-фазових перетворень вуглецю. Одержано аналітичні часові залежності термодинамічних величин речовини від параметрів електроустановки. Визначено еволюцію стану речовини (Р,Т умови), що дозволяє керувати процесом електровибуху провідників. Встановлено технологічні режими електровибуху графітових провідників та умови, необхідні для структурно-фазових перетворень графіт алмаз і графіт фулерени. Розроблено електровибухові методи одержання фулеренів, вуглецевих нанотрубок і наноалмазу та рекомендації для створення електровибухової технології синтезу нановуглецевих матеріалів. Аналітично отримано радіальні розподіли термодинамічних і електрофізичних величин у процесі істотно нестаціонарного нагрівання циліндричних провідників імпульсним струмом. Запропоновано новий метод синхронної реєстрації пірометром спектрального відношення температури й густини провідників в процесі електровибуху.

У дисертації одержано нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності вирішують важливу науково-технічну проблему, що полягає в створенні наукових основ електровибухової обробки матеріалів, розвитку теорії та методів діагностики процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсного струму з конденсованою речовиною та розробці електровибухових методів синтезу нановуглецевих матеріалів.
Нові наукові та практичні результати роботи:

Створено наукові основи електровибухової обробки матеріалів, в результаті якої виникають структурно-фазові перетворення речовини, які включають: математичне моделювання процесів взаємодії потужних електророзрядних імпульсів струму з конденсованою речовиною; аналітичні вирази для часових залежностей струму, опору, температури, тиску та густини речовини в процесі однорідного нагрівання імпульсним струмом циліндричних провідників до моменту випаровування; механізм електровибуху для швидких і надшвидких режимів; термодинамічні залежності речовини (Р,Т умови)від параметрів електроустаткування та характерних розмірів провідника, які визначають еволюцію стану речовини в результаті дії потужного електророзрядного імпульсу струму та дозволяють керувати процесом електровибуху провідників;
Розроблено електровибуховий та електророзрядний методи синтезу вуглецевих наноматеріалів, які мають, у порівнянні з електродуговим методом, ряд переваг (зменшення числа стадій технологічного процесу, можливість роботи установки при атмосферному тиску та ін.). Запропоновано електровибуховий метод одержання мастила з нановуглецевою присадкою, що містить фулерени. Показано, що застосування в якості протизносних і антифрикційних присадок до мастил отриманого нановуглецевого матеріалу (0,1 % вагових), який містить фулерени та наноалмаз, для вузлів кочення і ковзання приводить до зменшення коефіцієнта тертя для пари сталь-сталь на 25 %, при цьому знос поверхонь зменшується в 4 рази;

Розроблено рекомендації для створення нових електророзрядних нанотехнологій синтезу вуглецевих матеріалів (фулеренів, вуглецевих нанотрубок і наноалмазу) та розраховано енергоспоживаючі та технічні характеристики електроустаткування для отримання нановуглецевих матеріалів;
Теоретично (на основі розрахунку фазових траєкторій вуглецю в процесі електровибуху) та експериментально (на підставі аналізу результатів дослідження дії потужних електророзрядних імпульсів струму на графітові провідники й одержаних нанодисперсних продуктів електровибуху) показано, що структурно-фазове перетворення графіт алмаз відбувається в процесі високоенергетичних режимів електричного вибуху графітових провідників у воді та органічних рідинах (питома запасена енергіяw> 100 МДж/кг), тоді як при низькоенергетичних режимах електровибуху графітових провідників у органічних середовищах утворюються умови для синтезу фулеренів (10 МДж/кг <w <20 МДж/кг) і вуглецевих нанотрубок (8 МДж/кг <w <10 МДж/кг);
Розвинуто теорію взаємодії потужного електророзрядного імпульсу струму з конденсованою речовиною. Вперше аналітично отримано радіальні розподіли термодинамічних і електрофізичних величин у процесі істотно нестаціонарного нагрівання циліндричного провідника імпульсним струмом. На підставі теоретичного дослідження радіальних розподілів термодинамічних і електрофізичних параметрів твердого та рідкого циліндричного провідника, що визначають процес дифузії електромагнітного поля, виявлено ефект, зворотний скін-ефекту; одержанj умови однорідності речовини; визначено вплив магнітного тиску на порушення однорідності речовини в процесі електровибуху провідників;
Запропоновано достовірний метод синхронної реєстрації динаміки термодинамічних величин (температури й густини) в процесі нагрівання потужним імпульсом струму циліндричного провідника, який полягає у використанні для розрахунку інтегральної колірної температури за сигналами пірометру спектрального відношення, що виключає вплив теплового розширення, а для розрахунку динаміки розширення (або часової залежності густини) - одного з сигналів пірометру, нормованого на величину сигналу в момент плавлення;
Вперше розроблено та апробовано методику знаходження чисельними методами часових залежностей термодинамічних величин і температурних залежностей характеристик рідких металів (від температури плавлення до температури кипіння) в процесі електровибуху за осцилограмами сигналів пірометра спектрального відношення з урахуванням кінцевої ширини пропускання інтерференційних фільтрів і апаратних функцій каналів пірометра. Вперше з урахуванням розширення циліндричного провідника одержано за запропонованою методикою достовірні температурні залежності тепло- та електрофізичних характеристик рідких міді, нікелю та вольфраму (густини, ентальпії, питомих теплоємності та електропровідності);
Запропоновано напівфеноменологічну теорію формування та розповсюдження хвиль фазових перетворень речовини в процесі швидкого та надшвидкого режимів електричного вибуху провідників, що дозволило отримати вирази для швидкості розповсюдження та ширини фронтів хвиль фазових перетворень для різних видів електровибуху провідників;
Розвинуто теорію дії сильних електромагнітних полів на діелектрики, що викликає виникнення хвиль фазових перетворень в конденсованих середовищах в процесі формування електричного пробою. Отримано вирази для швидкостей розповсюдження швидких і повільних електричних розрядів;
Результати дисертаційної роботи використано на державному підприємстві «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування Зоря-Машпроект”» при вирішенні проблеми очищення гальваностоків від іонів важких металів високовольтними електричними розрядами в реакторах з гранульованим металозавантаженням; впроваджено на приватному підприємстві (Харківська обл.) при розробці електророзрядного устаткування для отримання нановуглецевих матеріалів, які містять фулерени та наноалмаз; впроваджено на СП ТОВ «Мікасс ДП» при створенні електророзрядного устаткування для отримання нановуглецевих матеріалів, що містять алмазоподібні фази; 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.