«Электроимпульсная технология получения ультрадисперсных материалов ...»

3.2 Математическое моделирование процессов в технологической системе Установить причинно-следственные связи между отдельными параметра­ ми описанной технологической системы без достаточно подробного исследова­ ния происходящих в ней процессов не представляется возможным. Вместе с тем, знание таких связей позволит создать ее реализацию, обеспечивающую до­ статочную контролируемость количества и размера получаемых УДЧ, а также их распределения по области нанесения. Большое количество параметров, вли­ яющих на результат, не позволяет приступить сразу к экспериментальным ис­ следованиям, поэтому начальные приближения этих параметров должны быть определены путем математического моделирования.

3.2.1 Расчет динамики пространственного распределения температуры в области инициации основного разряда Процессы, происходящие в плазме импульсного разряда при нарушении условий локального термодинамического равновесия, можно описывать с по­ мощью уравнения теплопроводности (1.2), внеся поправки в его коэффициен­ ты, учетывающие т. н. «лучистую» составляющую теплопроводности. Оценки различных авторов [46, 47, 51] показывают, что в данном случае для адекват­ ного физическим результатам математического описания коэффициент тепло­ проводности необходимо увеличить приблизительно на порядок относительно значений для холодного газа (рис. 3.4).

Создание математической модели, связывающей пространственное распре­ деление напряженности электрического поля и температуры в каждой исследу­ емой точке области горения инициирующего разряда, а также процессы в си­ стеме его питания — исключительно сложная задача. Однако описанием ряда процессов можно пренебречь без существенной потери в точности расчетов. Для этого при создании модели были приняты следующие условия и допущения:

1. Энергия вкладывается только в зону горения инициирующего разряда, представляющую собой конус с основанием, лежащим на основном электроде, и вершиной на конце острийного электрода. Размеры области энерговклада не изменяются со временем, а энерговклад происходит равномерно. Данное предпо­ ложение аналогично использованному в «каналовой модели дугового разряда»

Штеенбека [45];

2. Время перераспределения заряда внутри разогретой области считается пренебрежимо малым по сравнению с временем изменения ее проводимости вследствие разогрева;

3. Задача решается в двумерных декартовых координатах. Принимается, Рисунок 3.4 — Температурная зависимость контактной (1) и лучистой (2) теплопроводности плазмы азота [51] что полученное таким образом распределение температуры в области диэлек­ трической вставки не будет качественно отличаться от результата расчета на трехмерной модели;

4. В расчете учтена симметрия задачи. Разогретые облака с аналогичны­ ми параметрами, но имеющие поверхностный заряд разных знаков, существу­ ют с обеих сторон диэлектрической вставки. Это дает возможность проводить расчет только в области, включающей один вспомогательный и один основной электроды.

Решение уравнения (1.2) для описания тепловых процессов в газе произво­ дилось численно в среде ANSYS [63, 64]. На рис. 3.5, а приведен эскиз области расчета, на котором обозначены геометрические параметры зон с отличающи­ мися свойствами. Цифрами обозначены внешние границы области, на которых заданы различные граничные условия: 1, 2 — конвективный вынос газа; 3 — отсутствие теплового потока и конвекции (осевая симметрия); 4 — постоянная температура. В качестве критерия успешной инициации основного разряда вы­ брано достижение в точке значения температуры газа 4·103 К. Вкладываемая мощность в численных экспериментах задавалась постоянной во времени.

В результате расчетов определена динамика распределения температуры газа с учетом нелинейного характера температурной зависимости его теплофи­ зических свойств. Время, за которое достигаются условия инициации основного разряда, при суммарной вкладываемой в промежуток энергии, равной 10 Дж, составило порядка 104 с (рис. 3.5, б ). Подробные сведения о разработанной модели, а также основные результаты расчетов приведены в прил. A.

Рисунок 3.5 — Описание геометрии приэлектродных областей (а) и зависимость температуры газа в точке от времени, полученная в результате численного моделирования процесса инициации основного разряда (б ) Распределения температуры, полученные в ходе экспериментов на описан­ ной выше модели, позволили установить, что условия инициации основного раз­ ряда выполняются при 1 < 6 мм, 1 < 4 мм, 3 < 15 мм, 3 < 8 мм. При этом неравномерность вклада энергии в плазму разряда практически не сказывается на распределении температуры в области диэлектрической вставки.

3.2.2 Математическое описание процессов в системе питания основного разряда Совокупность электромагнитных процессов, происходящих в технологиче­ ской системе, можно описать с помощью эквивалентной электрической схемы замещения [65]. Для этого систему удобно разделисть на три основных ком­ понента: накопитель энергии с токоподводами, включающими участки основ­ ных электродов до мгновенного положения точки привязки основного разряда, сам основной разряд, и систему инициации основного разряда. Рассматривая данные компоненты по отдельности, можно построить общую математическую модель процессов, происходящих в системе, с целью определения набора пара­ метров, позволяющих в достаточной мере контролировать процесс выделения энергии в основном разряде. Определив данные параметры, можно подобрать их таким образом, чтобы показатели технологического процесса диспергирова­ ния материала электродов, перечисленные в п. 1.3, соответствовали заявлен­ ным требованиям. На рис. 3.6 приведена эквивалентная электрическая схема замещения, составленная на основе описания технологического процесса и при­ веденных выше рассуждений.

Рисунок 3.6 — Эквивалентная схема замещения системы питания основного разряда На рисунке стрелками указаны условные направления токов, а также отме­ чены полярности элементов, принятые для единообразия расчетов. Параметры элементов схемы замещения с описанием для удобства сведены в табл. 3.1.

После первичного пробоя (замыкание 1) по пути 0–1–1– –3– начинает протекать ток инициирующего разряда, поддерживемый энергией пред­ варительно заряженного емкостного накопителя. Часть энергии накопителя при этом расходуется в приэлектродных промежутках (сопротивление ), приводя к разогреву газа в них и объемному расширению разогретых областей. Появ­ ление у газа проводимости вследствие разогрева приводит к выравниванию по­ тенциала между внешними границами разогретых областей и основными элек­ тродами. При достижении критической напряженности электрического поля между разогретыми областями происходит пробой (замыкание 2), и основная часть тока накопителя начинает протекать по пути 0–1–1–2–2– ().

Процессы в схеме замещения на рис. 3.6 удобно анализировать поэтапно:

до и после замыкания ключа 2, описывающего переход от режима предва­ рительной ионизации к устойчивому горению основного разряда. Состояние схемы замещения при 0 < < 1 соответствует системе дифференциальных уравнений:

Таблица 3.1 — Параметры эквивалентной схемы замещения технологической установки Параметр Описание 1 Активное сопротивление токоподводов и отрезка основных элек­ тродов до мгновенного положения точки привязки основного раз­ 2 Активное сопротивление плазмы основного разряда 3 Активное сопротивление вторичной обмотки выходного повышаю­ щего трансформатора источника питания системы предваритель­ Активное сопротивление плазмы инициирующего разряда 1 Индуктивность токоподводов и отрезка основных электродов до мгновенного положения точки привязки основного разряда 2 Индуктивность плазмы основного разряда 3 Индуктивность вторичной обмотки выходного повышающего трансформатора источника питания системы предварительной 0 Суммарная емкость накопителя энергии 1 Ключ, моделирующий инициирующий пробой приэлектродных промежутков, замыкающийся в момент времени = 2 Ключ, моделирующий переход от режима предварительной иони­ зации к устойчивому горению основного разряда, замыкающийся 1 () Мгновенное значение тока в разрядном контуре «Противо-ЭДС» основного разряда АВ () Мгновенное значение напряжения на основных электродах При 1 система усложняется:

В уравнениях (3.1) и (3.2) величины 1 и 3 задавались на основе оценок по тра­ диционным методикам с учетом предположительной геометрии этих элементов.

Значение 1, которое нелинейно зависит от протекающего тока, определялось с учетом по методике, описанной в п. 2.2.1. Поскольку 3 представляет собой обмотку повышающего импульсного трансформатора, динамика этой величи­ ны определялась с учетом эффекта гистерезиса в ферритовом магнитопроводе с воздушным зазором, который после инициации основного разряда переходит в режим глубокого насыщения (подробно расчет динамики 3 в зависимости от протекающего тока приведен в прил. B). Начальные приближения величин 2, 2 и () выбраны на основе сведений о дуговом разряде из литератур­ ных источников [57, 66]. Значение определялось из решения описанной в п. 3.1.2 тепловой задачи с учетом изменяющегося в зависимости от 3 () вклада мощности в инициирующий разряд.

Численные эксперименты на описанной математической модели, проведен­ ные в среде MATLAB [67, 68], позволили без проведения многочисленных по­ исковых экспериментов предварительно оценить режимы работы технологиче­ ской системы. В частности, установлены следующие начальные приближения для ее параметров:

— значение 0 может изменяться в пределах 20...500 мкФ, а начальное напряжение 0 — в диапазоне 1,5 · 103...4 · 103 В. При заниженных значениях данных параметров оказывается сложно выполнить условия инициации основ­ ного разряда, а при завышенных — в системе возникает ток 2 () с амплитудой, достаточной для выделения на электродах чрезмерно высокой плотности мощ­ ности, что может повлечь за собой снижение образования капель;

— в качестве силового токоподвода в целях подавления скин-эффекта при протекании по нему импульса тока оптимально использовать медный провод­ ник сечением не менее 4 мм2 и длиной не более 1 м. В этом случае к моменту окончания импульса сечение проводника оказывается полностью заполнено то­ ком. Излишнее увеличение сопротивления токоподвода приводит к критическо­ му затягиванию импульса тока основного разряда во времени и, соответственно, снижению плотности мощности, выделяющейся на электродах;

— полученные амплитуды тока 1 () оказались таковы, что для компен­ сации вызываемых им механических воздействий оптимально использовать в качестве токоподвода коаксиальный кабель;

— исходя из амплитуды тока 3 (), сечение провода вторичной обмотки повышающего трансформатора системы предварительной ионизации должно составлять не менее 0,8 мм2, а сечение магнитопровода — не менее 500 мм2.

Совместные эксперименты на предложенных моделях позволили устано­ вить, что приблизительная длительность процесса перемещения основного раз­ ряда по электродам при указанных выше параметрах находится в диапазоне 0,8 · 104...2 · 104 c. При скорости перемещения разряда около 5 · 102 м/с [69] его путь может составить приблизительно 50 мм, что учтено при построении экспериментальной установки.

3.3 Экспериментальная установка для получения ультрадисперсных частиц металлов 3.3.1 Описание конструкции экспериментальной установки На основе результатов, полученных при теоретических исследованиях, раз­ работана и создана экспериментальная технологическая установка для получе­ ния УДЧ проводящих материалов. Установка состоит из следующих основных узлов:

— источник электромагнитной энергии, состоящий из повышающего транс­ форматора, выпрямителя и фильтра. Выходное напряжение источника регули­ руется в диапазоне 0,5 · 103...4,5 · 103 В;

— система накопления электромагнитной энергии в виде батареи емкост­ ных элементов типа К41И–7. Конструкция батареи позволяет коммутировать отдельные элементы для изменения суммарной емкости в диапазоне 104...103 Ф.

Дополнительно предусмотрена возможность использования малых емкостей в диапазоне 2 · 105...104 Ф.

— система электродов, состоящая из двух протяженных в одном направле­ нии стержней прямоугольного сечения (10 10 200 мм), выполненных из ста­ ли. В конструкции предусмотрена возможность регулировки расстояния между электродами в диапазоне 1...5 мм путем изменения толщины разделяющей их диэлектрической вставки. Высота диэлектрической вставки также может из­ меняться относительно рабочей поверхности основных электродов в диапазоне 0...8 мм. Подложка может помещаться на расстоянии 5...120 мм относительно рабочей рабочей поверхности основных электродов. Разрядный канал может быть закрыт крышкой с целью контроля давления, возникающего при разряде;

— силовой токоподвод, представляющий собой отрезок коаксиального ка­ беля типа РК–50 длиной 500 мм. Концы кабеля разделаны специальным обра­ зом для предотвращения разрывов при значительных усилиях, возникающих в системе при протекании импульсов тока значительной амплитуды;

— система инициации основного разряда, состоящая из острийных элек­ тродов, расположенных над рабочей поверхностью основных, и источника им­ пульсов высокого напряжения.

На рис. 3.7, а приведен общий вид установки, где обозначены: 1 — колодки, 2 — система основных электродов с диэлектрической вставкой, 3 — приспособ­ ления для крепления инициирующих электродов, 5 — держатель подложки, 6 — пазы для регулировки высоты полюсных наконечников и держателя под­ ложки. Исполнительная часть установки может помещаться в камеру с контро­ лируемой атмосферой, обеспечивающую возможность регулировки давления в диапазоне 10...760 торр.

Основные электроды должны иметь высокую прочность на изгиб и не должны искажать магнитное поле протекающего тока, поэтому они изготов­ лены из немагнитной нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. На рис. 3.7, б приведено детальное изображение системы основных электродов. В средней ча­ сти электродов сделаны углубления, предназначенные для укладки вставок из диспергируемого материала. Такой подход позволяет применять для экспери­ ментов небольшие образцы материалов, которые затем легко поддаются инстру­ ментальному исследованию.

Для регулировки рабочих режимов установки предусмотрены и другие средства, подробно описанные в [70].

3.3.2 Система инициации основного разряда путем предварительной ионизации межэлектродного промежутка Поперечное сечение системы основных электродов показано на рис. 3.8, а.

На рисунке обозначены основные параметры, влияющие на процесс инициации разряда: основные электроды 1, диэлектрическая вставка 2, дополнительные острийные электроды 3. Разработанная система обеспечивает инициацию основ­ ного разряда путем предварительной ионизации газа в приэлектродных проме­ Рисунок 3.7 — Общий вид модифицированной конструкции экспериментальной установки (а); детализированное изображение системы основных электродов в модифицированной кон­ струкции установки (б ) жутках 3 с помощью искрового пробоя. Искровой пробой производится меж­ ду парами основных и дополнительных электродов путем подачи на острийные электроды импульса высокого напряжения от источника, общий вид котрого приведен на рис. 3.8, б.

Рисунок 3.8 — Поперечное сечение системы основных электродов с дополнительными элек­ тродами системы инициации основного разряда (а); общий вид источника питания системы предварительной ионизации (б ) Принципиальная схема источника питания, приведенная на рис. 3.9, ана­ логична применяемым в устройствах инициации дуги сварочных установок и плазматронов.

Силовая часть источника питания (рис. 3.9, а) состоит из емкостного нако­ Рисунок 3.9 — Принципиальная схема силовой части (а) и блока управления (б ) источника питания системы предварительной ионизации пителя 2–3, импульсного повышающего трансформатора 1 и тиристорного коммутатора 1. Резисторы 1 и 2 ограничивают зарядный ток емкостного накопителя. При подаче на вход переменного напряжения заряжаются емкости 2 и 3. Заряд на них удерживается с помощью диодов 1 и 2. Когда на управляющий вывод 1 поступает сигнал, образуется разрядный контур, содержащий емкостной накопитель и первичную обмотку повышающего транс­ форматора 1. На вторичной обмотке при этом формируется импульс напря­ жения амплитудой до 2 · 104 В, в результате чего в зазоре между точками и возникает искровой пробой. Энергия, выделяющаяся при пробое, составляет около 1 Дж.

Блок управления силовой частью, схема которого приведена на рис. 3.9, б, выдает импульсы с частотой вдвое меньшей, чем частота питающей сети (25 Гц), что необходимо для обеспечения зарядки обеих емкостей. Он гальванически от­ вязан от силовой части при помощи симисторной оптопары 1.

Параметры сердечника и вторичной обмотки выходного повышающего транс­ форматора 1 имеют конфигурацию и параметры, аналогичные описанным в прил. B.

3.3.3 Система диагностики параметров технологического процесса Контроль технологического процесса диспергирования при ориентации на серийное производство оборудования должен осуществляться наиболее простым и технологичным способом. С этой точки зрения наиболее удачной оказывается диагностика динамики напряжения на основных электродах и тока в разрядном контуре. Эти параметры одновременно обеспечивают удобную связь технологи­ ческого оборудования и математических моделей, где они обозначены, соответ­ ственно, как () и 1 ().

В качестве первичного измерительного преобразователя напряжения в экс­ периментальной установке использован высокоомный резистивный делитель на­ пряжения, выполненный на малоиндуктивных графитовых сопротивлениях ти­ па КЭВ–5 (рис. 3.10, а). Для указанного делителя экспериментальным путем получены частотные характеристики, свидетельствующие о возможности его применения при ожидаемых длительностях измеряемых сигналов.

Для контроля тока в разрядном контуре использован индуктивный изме­ рительный преобразователь типа «пояс Роговского», изображение которого при­ ведено на рис. 3.10, б.

Сигнал на выходе системы «проводник с током–пояс Роговского» имеет нелинейные искажения, обусловленные скин-эффектом. Дополнительные суще­ ственные искажения в полезный сигнал вносит входная цепь устройства реги­ страции. Компенсация указанных искажений производилась на основе специ­ ально разработаного подхода, подразумевающего восстановление сигнала рас­ четным путем с помощью передаточной функции измерительного тракта, за­ писанной для обратного направления прохождения сигнала. Коэффициент маг­ нитной связи, входящий в данную передаточную функцию, измерен экспери­ ментально на всей полосе частот, предполагаемой в измеряемом токе. Дан­ ный подход позволил значительно улучшить качество восстановления сигнала по сравнению с традиционно применяемыми для этой цели интегрирующими –цепями.

В качестве устройства регистрации сигналов, поступающих с измеритель­ ных преобразователей, применялся цифровой двухканальный осциллограф мо­ дели TDS–3012C (Tektronix) в режиме одиночного запуска развертки по сиг­ налу синхронизации с устройством инициации разряда. Данный прибор имеет функцию сохранения наблюдаемых осциллограмм в виде файлов на внешнем носителе, пригодных для последующего анализа и обработки с помощью про­ граммных средств.

Рисунок 3.10 — Средства диагностики электромагнитных параметров технологического про­ цесса: высокоомный измерительный делитель напряжения (а), индуктивный измерительный преобразователь тока типа «пояс Роговского» (б ) 3.4 Результаты экспериментального изучения работы установки С помощью разработанной установки проведена серия экспериментов, на­ правленных на проверку адекватности созданных математических моделей по критерию соответствия расчетных данных экспериментальным.

Предварительно установлено, что электрические параметры процессов 1 () и (), проведенных в атмосфере аргона, азота и воздуха, существенно не различаются. Это позволило сделать вывод о том, что основной разряд горит в парах материала электродов, давление которых значительно выше 1 атм, и дальнейшие эксперименты проводились только на воздухе при нормальных условиях. В качестве иллюстрации на рис. 3.11 приведены изображения систе­ мы основных электродов во время (а) и после окончания существования (б ) основного разряда.

На рис. 3.12 приведено сравнение расчетной и экспериментальной кри­ вых (), из которого видно их высокое соответствие. Сравнение серии та­ ких пар, соответствующих различным сочетаниям параметров 0, 0, 1, 1, Рисунок 3.11 — Система основных электродов экспериментальной установки во время (а) и после окончания существования (б ) основного разряда показывает их отличие не более чем на 10%.

Рисунок 3.12 — Сравнение экспериментальной (1) и расчетной (2) зависимости напряжения на электродах от времени Экспериментальное исследование времени 1, необходимого для инициа­ ции основного разряда, производилось в опытах, где изменялись параметры диэлектрической вставки 3, 3, 1, 1, а также параметры накопителя 0, 0. Результат серии таких опытов при 0 = 4 · 105 Ф, 0 = 1, 75 · 103 В, 1 = 2 · 105 Гн приведен на рис. 3.13, а в сравнении со значениями времени, по­ лученными при тех же параметрах системы путем моделирования (рис. 3.13, б ).

Из рисунка видно, что в полученные экспериментально моменты времени инициации основного разряда 1, соответствующие различным 3, температура возле верхнего края диэлектрической вставки оказывалась равной приблизи­ тельно 4 · 103 K. Как показано в п. 3.1.2, именно при такой температуре можно Рисунок 3.13 — Экспериментальная зависимость времени инициации основного разряда от высоты диэлектрической вставки 3 при разных 0 (а) в сравнении с результатами чис­ ленного моделирования (б ) говорить о значении проводимости разогретой области газа, достаточной для выравнивания потенциала основного электрода и внешней границы области.

При расположении инициирующих электродов не над рабочей поверхно­ стью основных инициация разряда не происходила, что является дополнитель­ ным свидетельством в пользу правильности описанного механизма инициации основного разряда (рис. 3.14, а). О правильности выбора параметра 5 в моде­ ли свидетельствуют следы, оставляемые инициирующим разрядом на основных электродах, в случае, когда инициация не происходит (рис. 3.14, б ).

На рис. 3.15 приведено сравнение экспериментальных кривых (), по­ лученных при изменении 0 с 1,5 · 103 В до 1,75 · 103 В (а) и 0 с 4 · 105 Ф до 5 · 104 Ф (б ). Прочие параметры установки при этом не изменялись.

Видно, что при увеличении 0 время 1 и амплитудное значение напря­ жения основного разряда не претерпевают значительных изменений. При этом время существования основного разряда увеличивается при повышении 0, что Рисунок 3.14 — Сравнение динамики () при успешой (1) и неуспешной (2) инициации основного разряда (а) и след, оставленный на основном электроде инициирующим разрядом в случае неуспешной инициации (б ) объясняется более высоким запасом энергии в накопителе. Такая картина го­ ворит о том, что равномерность расходования энергии накопителя во время существования основного разряда может быть увеличена путем применения формирующих линий.

Изменение 0 влияет на крутизну спада напряжения на этапе существо­ вания инициирующего разряда, однако время 1 при этом изменяется незначи­ тельно. Значения энергии, выделившейся при этом на сопротивлении плазмы инициирующего разряда, пропорциональной 0 (0)2 0 (1 )2, в обоих слу­ чаях также близки.

Совокупность представленных результатов показывает, что созданные ма­ тематические модели позволяют адекватно описывать и предсказывать процес­ сы инициации и существования основного разряда.

В ходе экспериментов установлено, что кривые являются гармониче­ скими и могут переходить через ноль как во время существования инициирую­ щего разряда, так и во время существования основного. Это говорит о том, что в ходе процесса анод и катод системы основных электродов меняются местами.

Рисунок 3.15 — Сравнение динамики () при изменениии начального напряжения нако­ пителя 0 с 1,75 · 103 В (1) до 1,5 · 103 В (2) (а) и его емкости 0 с 5 · 104 Ф (1) до 4 · 105 Ф (2) (б ) Такое явление может наболюдаться в случае, когда температура поверхности электродов достаточно высока для повторной самостоятельной инициации раз­ ряда с увеличением.

Для определения оптимальных рабочих режимов устройства инициации разряда были проведены эксперименты, в которых изменялась высота 3 до­ полнительных электродов над поверхностью основных.

При отключенном емкостном накопителе инициирующий пробой в этих экспериментах происходил при 3 < 14 мм. При этом пробой между основными электродами наблюдался в областях, где толщина диэлектрической вставки была минимальна вследствие ее неоднородности, вне зависимости от располо­ жения этих областей на длине основных электродов.

При подключении к основным электродам емкостного накопителя искро­ вой пробой между ними проходил также при 3 < 14 мм. При этом начальное напряжение заряда накопителя, которое изменялось в диапазоне 0...3 · 103 В, не влияло на результат эксперимента. Увеличение 1 > 3 мм приводило к ис­ чезновению пробоя между основными электродами, однако искровой пробой между их поверхностью и дополнительными электродами все же происходил.

Это свидетельствует о том, что при подключенном емкостном накопителе ток инициирующего разряда замыкается через него.

В некоторых случаях во время заряда емкостного накопителя происходил самопроизвольный пробой между нерабочими поверхностями основных элек­ тродов. Для устранения этого эффекта общая высота диэлектрической вставки выбрана такой, чтобы она выступала над нерабочей поверхностью всегда боль­ ше, чем над рабочей (рис. 3.16, а). Надежная локализация места пробоя меж­ ду основными электродами достигнута путем придания ей сложного профиля (рис. 3.16, б ).

Рисунок 3.16 — Модификации системы инициации основного разряда для исключения пробоя с нерабочей поверхности основных электродов: модификация положения и высоты диэлек­ трической вставки (а) и придание ей сложного профиля (б ) После устранения описанного недостатка разработанная система предвари­ тельной ионизации приэлектродных промежутков обеспечила надежную иници­ ацию основного разряда в течение 104 циклов работы установки без необходи­ мости в обслуживании. Специально разработанная геометрия диэлектрической вставки обеспечила ее длительное функционирование, несмотря на оседающие в процессе работы слои материала электродов.

3.5 Выводы по главе 1. Предложена модификация конструкции канала рельсового ускорителя, позволяющая существенно увеличить площадь сбора продуктов эрозии веще­ ства электродов;

2. На основе данной модификации предложен способ получения УДЧ, поз­ воляющий наносить их на подложку непосредственно во время синтеза. Дина­ мика энерговклада в вещество электродов определяется большим количеством параметров, что приводит к необходимости моделирования процессов в системе для начального выбора значений этих параметров перед ее экспериментальной реализацией;

3. Теоретические оценки и основанные на них математические модели про­ цессов в системе позволили установить начальные приближения для значений ее параметров, при которых происходит инициация и перемещение основного разряда вдоль поверхности электродов. Мощность, выделяющаяся на них при этом, оказывается достаточной для их оплавления и интенсивной эрозии путем образования заряженных капель материала. Предварительные оценки соотно шения размеров капель и их заряда показали, что существует возможность их дальнейшего каскадного деления;

4. С учетом полученных приближений параметров системы разработана и создана экспериментальная установка для получения УДЧ металлов. Иссле­ дование процессов, происходящих в ней, позволило подтвердить адекватность созданных моделей, что позволяет предсказывать поведение технологической системы при изменении ее параметров в широких пределах.

Исследование параметров ультрадисперсных частиц, нанесенных на подложки с помощью Для технологического применения предложенного способа получения УДЧ требуется установить связь между параметрами установки и свойствами синте­ зируемых частиц. Сложная конфигурация электромагнитного поля, в которой формируются первичные капли материала электродов, а также импульсное про­ текание процесса в газовой среде, затрудняют теоретическое исследование их поведения после отрыва от поверхности электродов. Однако для технологиче­ ских нужд в первом приближении достаточно зависимостей, определенных экс­ периментально.

4.1 Диагностика размера и морфологии УДЧ на подложке Искомые зависимости можно установить, исследуя параметры получаемых на подложке частиц, и сопоставляя результаты с использованными режимами установки. Диагностика подложек с нанесенными УДЧ производилась мето­ дом сканирующей зондовой микроскопии с помощью приборов серий NTegra и Certus [71]. Все эксперименты выполнялись по единой методике, что обеспе­ чило их повторяемость и достоверность получаемых результатов.

Для надежного отделения неровностей подложки от полученных УДЧ в качестве подложек использовано предметное стекло с нормированной шерохова­ тостью 5 нм. Основная часть результатов сканирования получена на участках поверхности подложек размером 55 мкм либо 1,51,5 мкм при разрешении 103103 точек. Дальнейшее уменьшение области сканирования нецелесообразно, т. к. уже в этом случае достигается предел чувствительности прибора.

На рис. 4.1 приведены результаты одного из контрольных экспериментов, в котором сравнивался профиль поверхности чистого стекла (а) и того же стекла с нанесенными на его поверхность УДЧ (б ). Частицы были нанесены с помощью экспериментальной установки при 0 = 2,5 · 103 В, 0 = 3 · 104 Ф и расстоянии между поверхностью основных электродов и подложкой 4 = 80 мм. Наряду с неровностями поверхности, характерными для самого стекла 1, появились су­ щественно более высокие неоднородности 2, что подтверждает наличие УДЧ.

В целом, устойчиво различимые частицы превосходят по размеру неровности поверхности подложки приблизительно в 5...10 раз (20...30 нм и 2...3 нм соот­ ветственно).

Рисунок 4.1 — Полученный с помощью СЗМ профиль поверхности чистой подложки (а) и подложки с нанесенными на ее поверхность УДЧ (б ) Поверхность стекла при нанесении УДЧ испытывает воздействие плаз­ менного потока, а также ударной волны, образующейся в результате инициа­ ции и горения основного разряда. Такое воздействие приводит к существенно­ му уменьшению неоднородностей самого стекла. В зависимости от параметров технологического процесса, подобное уменьшение может быть связано либо с «оплавлением» поверхности стекла, либо с конденсацией на нем пленки испа­ ренного материала электродов, либо с комбинацией этих механизмов.

В ходе предварительных исследований был определен диапазон значений 4, на котором происходят процессы, влияющие на распределение частиц по раз­ мерам. Оказалось, что при 4 20 мм энергия частиц, диспергированных с электрода, достаточна для того, чтобы проделать отверстия в поверхности стекла. Об этом свидетельствует профиль поверхности подложки, приведен­ ный на рис. 4.2, на которую нанесены УДЧ при 4 = 20 мм, 0 = 2,4 · 103 В, 0 = 3 · 104 Ф. Из рисунка видно, что многие частицы проникают на глубину Рисунок 4.2 — Профиль поверхности стекла с проникшими вглубь УДЧ до 40 нм (1). Частицы меньших размеров осаждаются на поверхности подложки (3). Дополнительно воздействующим на поверхность стекла фактором является поток плазмы разряда, «заглаживающий» ее неровности (2).

При 4 > 110 мм изменение размера частиц зафиксировать не удается.

С учетом этих результатов, при проведении дальнейших исследований диапа­ зон изменения 4 ограничен значениями 20...110 мм. При этом исследуемая область подложек располагалась напротив катода системы и по центру области диспергирования.

Для определения механизмов, которые преимущественно приводят к умень­ шению размеров частиц в процессе разлёта продуктов диспергирования элек­ тродов, были исследованы результаты нанесения частиц никеля на стеклянные подложки, расположенные на разном расстоянии от поверхности электродов.

Типичная трехмерная картина распределения частиц на поверхности подложки приведена на рис. 4.3. Более точную информацию о распределении нанесенных Рисунок 4.3 — Трехмерная картина распределения УДЧ по поверхности подложки УДЧ по размерам можно получить с помощью дополнительной математической обработки СЗМ–изображений в средах NOVA и Gwyddion. На рис. 4.4 приве­ дена зависимость характерного размера частиц от 4 при 0 = 3 · 104 Ф, 0 = 2,5 · 103 В. Видно, что с увеличением 4 происходит уменьшение, а сами УДЧ более плотно группируются по размеру. При этом удельный объем частиц на единицу площади поверхности подложки изменяется несущественно.

Такое поведение частиц говорит об их каскадном делении. Присутствие круп­ ных частиц в распределении указывает на то, что условия деления выполня­ ются не для всех из них. Каскадное деление наглядно видно на рис. 4.5, где приведен результат нанесения УДЧ при небольшом 4. Хорошо видно, что на поверхности присутствуют частицы, размеры которых лежат в двух диапазо­ нах: 0,3...0,6 мкм (а) и менее 0,1 мкм (б ). При этом практически все крупные Рисунок 4.4 — Гистограммы распределения частиц для 4 = 50 мм (а), 4 = 75 мм (б ) и 4 = 110 мм (в) при постоянных 0 = 3 · 104 Ф, 0 = 2,5 · 103 В частицы имеют неправильную форму: некоторые из них «застыли» при обра­ зовании перетяжки в момент деления, а другие уже разделились, образовав скопления более мелких. Дальнейшее каскадное деление вследствие релеевской неустойчивости приводит к тому что, при увеличении расстояния до подложки основная часть получаемых частиц имеет типичный размер до 10 нм.

Из гистограмм, полученных для тех же 0 и 4 при увеличении 0 до 3·103 В видно, что количество получаемых УДЧ несколько снижается (рис. 4.6).

Это может свидетельствовать о том, что значения 4 при этом оказываются недостаточными для развития релеевской неустойчивости, поскольку частицы приобретают более высокую энергию.

Рисунок 4.5 — Иллюстрация процесса каскадного деления частиц Рисунок 4.6 — Гистограммы распределения частиц для 4 = 50 мм (а) и 4 = 110 мм (б ) при постоянных 0 = 3 · 104 Ф, 0 = 3 · 103 В В пользу повторяемости результата говорят гистограммы, полученные в экспериментах после 5 и 100 «выстрелов» с использованием одной и той же пары электродов (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 — Гистограмма после 5 (а) и после 100 (б ) циклов работы установки с одной парой электродов при 0 = 3 · 104 Ф, 3 = 50 мм, 0 = 2 · 103 В При 0 = 2 · 103 В механизм, ответственный за деление частиц, перестает действовать уже на расстоянии 4 50 мм: частицы, покидая зону разряда, быстро остывают и перестают делиться (рис. 4.7, а). Данный режим является весьма благоприятным нанесения на подложки УДЧ с плотностью 10 шт/мкм2.

По-видимому, с увеличением 4 происходит уменьшение количества УДЧ вслед­ ствие того, что они успевают «охладиться» и перестают закрепляться на поверх­ ности подложки.

Важным параметром процесса нанесения УДЧ на поверхность подложки является адгезия. Этот параметр характеризует как износостойкость слоев ча­ стиц, так и их каталитические свойства. Адгезия получаемых УДЧ исследована в ходе отдельной серии экспериментов.

4.2 Повышение адгезии лакокрасочных покрытий к поверхности полимеров Известно, что углеводородные пластмассы и композиты с их применени­ ем сегодня являются одними из наиболее перспективных материалов: из них изготавливаются многие детали и компоненты продуктов в различных отрас­ лях промышленности. Все больше традиционных материалов (металлы, бетон, дерево) заменяются пластмассами и композитами, и поэтому должны соответ­ ствовать жестким функциональным требованиям по механическим и тепловым свойствам, внешнему виду, устойчивости к воздействию атмосферных факто­ ров и чистящих веществ и т. п... Соответствия некоторым из таких требований, в частности, по барьерным и декоративным функциям, зачастую проще всего добиться с помощью нанесения на поверхность изделия из полимерного мате­ риала различного рода покрытий [72, 73].

Большинство полимерных материалов, используемых в качестве конструк­ ционных (например, полиэтилен — PE, полипропилен — PP, акрилонитрилбу­ тадиенстирол — ABS), имеет низкую адгезию к наносимым покрытиям [74], и для качественного нанесения необходима модификация их поверхности. Суще­ ствует ряд способов такой модификации: начиная с простейшей механической подготовки (матования) и очистки поверхности от различного рода загрязне­ ний (ультразвуковая мойка, обработка слабыми кислотами или щелочами), и заканчивая сложнейшими плазмохимическими процессами. Под адгезией пони­ мается удельная энергия, необходимая для отделения пленки, которую образует покрытие на поверхности полимера, от самой этой поверхности.

Практически все существующие в настоящее время способы модифика­ ции поверхности полимеров (химические и плазмохимические) предусматрива­ ют разрушение полимерных молекул и образование на поверхности материала функциональных групп различной химической природы, которые и обеспечи­ вают высокие адгезионные свойства модифицированных поверхностей.

Современные плазмохимические методы значительно выигрывают по срав­ нению с химической модификацией, при которой используются такие агрессив­ ные реагенты как кислоты, гидроксиды, щелочноземельные металлы и их соеди­ нения (т. е., химические методы в большинстве своем предполагают использова­ ние «грязных» технологий). Плазмохимическая подготовка поверхности также оказывается наиболее технологичной операцией, которую удобно встраивать в существующие производственные линии.

Воздействие плазмы на поверхность полимера происходит только в тон­ ком приповерхностном слое обрабатываемого изделия, толщина которого по разным оценкам составляет 109...106 м [74, 75]. Основной же объем полимера не изменяется, сохраняя физико-химические свойства.

Однако перечисленные методы имеют ряд недостатков. В первую очередь, это относительно невысокий уровень повышения адгезии, сложность обработ­ ки криволинейных поверхностей, ограниченный промежуток времени, который должен пройти между модификацией поверхности и нанесением покрытия [76].

Дело в том, что количество образующихся функциональных групп, способству­ ющих повышению адгезии, относительно невелико, т. к. мала интенсивность воз­ действия, а разорванные полимерные цепи демонстрируют тенденцию к «срас­ танию».

Одним из возможных путей преодоления этих недостатков является связы­ вание гидрофильных групп, образовавшихся на поверхности полимера, с атома­ ми или ультрадисперсными частицами металлов. Примером подобного процесса является вакуумная металлизация. Однако получение достаточной адгезии на границе «полимер-металлическая пленка» и в этом случае возможно только пу­ тем применения импульсных режимов работы распылительных устройств и тре­ бует использования сложного высоковакуумного оборудования [77]. В результа­ те, несмотря на возможность существенного увеличения адгезии по сравнению с плазмохимическими методами, данная технология может быть востребована только при обработке деталей ограниченного характерного размера (до сотен миллиметров) и оказывается малопригодной при крупносерийном производстве по экономическим соображениям.

Развитие плазмохимического направления повышения адгезии может за­ ключаться в использовании предложенного способа. Эффекты, сопровождаю­ щие ускоренное движение плазменного сгустка между протяженными электро­ дами в собственном магнитном поле, оказываеют существенное на полимерную подложку. Более крупные частицы (100...500 нм) механически деформируют поверхностный слой полимера, создавая неровности размером порядка несколь­ ких микрометров, увеличивая тем самым в несколько раз возможную площадь контакта полимера с покрытием. Более мелкие (менее 45 нм) — занимают сво­ бодные связи на обрабатываемой поверхности, которые образовались в резуль­ тате плазменного воздействия, и в дальнейшем адгезия этого участка поверх­ ности уже определяется связями «металл-покрытие». К тому же, осаждение на предварительно активированную поверхность полимера слоя металлических ча­ стиц позволяет частично ее «заморозить», т. е., избежать «срастания» старых связей, которое наблюдается после применения традиционных методов плазмо­ химического воздействия.

Регулируя содержание в продуктах диспергирования электродов относи­ тельно крупных и мелких частиц (путем варьирования 4, 0, 0, 3, 3 ), можно создать эффект развития площади поверхности полимера. Об этом, в частности, свидетельствуют результаты атомно-силовой микроскопии обрабо­ танного предложенным способом полиэтилена, которые приведены на рис. 4.8.

На рис. 4.8, а показана поверхность полиэтилена после обработки предложен­ ным способом. На рис. 4.8, б приведена для сравнения необработанная поверх­ ность полиэтилена. На обработанной поверхности хорошо видны борозды, со­ зданные крупными частицами, внедрившимися под поверхность материала.

Рисунок 4.8 — Поверхность полиэтилена: (а) — после обработки предлагаемым способом;

(б ) — без обработки Таким образом, предложенный способ позволяет объединить механический (существенное увеличение поверхности контакта полимера с покрытием) и фи­ зико-химический (разрыв и активация связей на поверхности полимера, обра­ зование связей между поверхностью полимера и частицами металла) подходы к увеличению адгезии.

Работа в этом направлении существенно осложняется тем, что оказывает­ ся весьма затруднительно сравнивать результаты, полученные разными автора­ ми, т. к. нет общепринятого способа измерения адгезии. Известно два основных подхода к ее измерению: косвенный — путем оценки краевого угла смачивания жидкостью поверхности субстрата и прямой — оценка работы отрыва адгезива от субстрата [74, 77]. На этих подходах основано некоторое количество методик оценки адгезии: прямое измерение угла смачивания с помощью гониометра, оценка адгезии при помощи тестовых чернил, различные вариации метода ре­ шетчатых надрезов [ГОСТ 15140-78, п. 2.4] и метод отрыва.

Отсутствие общепринятого подхода к оценке адгезии потребовало проведе­ ния сравнительного экспериментального исследования покрытий, получаемых с использованием наиболее распространенных плазмохимических методов обра­ ботки поверхности. Одинаковые условия проведения эксперимента и обработки результатов позволяют проводить сравнение различных методов обработки по­ верхности. Для качественного сравнения результатов обработки поверхности полимеров использовалась одна из модификаций метода решетчатых надрезов.

4.2.1 Описание экспериментов по повышению адгезии лакокрасочных покрытий В проведенных экспериментах сравнивались результаты повышения адге­ зии покрытий на полимерах при использовании трех видов предварительной об­ работки поверхности. Первый вид обработки предполагал увеличение площади контакта «полимер-покрытие» за счет развития поверхности полимера (мато­ вание наждачной бумагой). Второй вид обработки предполагал использование плазмохимической модификации в плазме поверхностного искрового разряда.

Третий — модификацию поверхности с использованием предложенного метода обработки с помощью плазменного сгустка, движущегося между протяженны­ ми электродами в собственном магнитном поле.

Во всех экспериментах использовались подложки размером 85 35 мм из полиэтилена низкого давления (PE–LD) марки ПНД–273–83 и полипропилена (PP) марки ПП 8300. Предварительная подготовка подложек включала в себя очистку ветошью, смоченной в спирте, выделение на подложке области обра­ ботки (30 30 мм для предложенного метода и 20 20 мм — для обработки в плазме искрового разряда). Участки подложки, не подлежащие модификации, закрывались маской.

На обработанные подложки наносили покрытие (аэрозольный алкидный грунт «Touch’n Tone Primer Gray Spray», США). Окрашенные подложки выдер­ живались 24 часа для полной полимеризации при температуре 20...25 C. Затем в области обработки острым ножом нарезалась сетка из квадратов 2 2 мм.

Поверх сетки приклеивалась тканево-армированная липкая лента «Duct Tape»

фирмы Tesa, США. После равномерного проглаживания ленту отрывалась под углом 180 с постоянным усилием и скоростью около 50 мм/с.

На этапах после окрашивания, после нарезания сетки и после отрыва лен­ ты образцы сканировались планшетным сканером с разрешением 600 dpi (пред­ варительно аккуратно убирались отлетевшие частицы краски).

Количественное выражение адгезии делалось двумя способами: подсчетом количества квадратов сетки, у которых полностью отсутствуют следы повре­ ждений, а также при помощи оценки покрытия по четырехбалльной системе. В первом случае абсолютный показатель качества адгезии определяется как про­ центное отношение количества квадратов без повреждения к общему количе­ ству нарезанных квадратов. Во втором — как сумма оценок каждого квадрата.

При проведении экспериментов по модификации поверхности в плазме ис­ крового разряда область разряда формировалась таким образом, чтобы основ­ ная его часть проходила по поверхности полимера. Для формирования разряда использовался источник переменного напряжения частотой 100 Гц. Напряжение холостого хода источника составляло 1,2·104 В, а мощность — около 30 Вт. Элек­ троды, выполненные из медного провода толщиной 0,15 мм, располагались на расстоянии 1 мм от поверхности полимера с одной его стороны, и на расстоянии 10 мм друг от друга. Процесс обработки состоял в относительном перемещении электродов и поверхности полимера с постоянной скоростью около 0,3 см/с. В экспериментах обрабатывалась площадка с размерами 20 20 мм.

На рис. 4.9 приведены результаты экспериментов с образцами PP, обрабо­ танными разными способами. Черным цветом показаны участки, на которых сохранилось покрытие после отрыва ленты, белым — участки, на которых по­ крытие не сохранилось. Количественные результаты сведены в табл. 4.1.

Рисунок 4.9 — Результаты эксперимента по определению адгезии на полипропиленовых об­ разцах: (а) — необработанная поверхность полипропилена, (б ) — матование наждачной бу­ магой, (в) — плазма искрового разряда, 20 с, (г) — предлагаемый способ Таблица 4.1 — Сравнение результатов экспериментов по повышению адгезии Анализ данных, полученных при сравнении разных методов повышения адгезии полимеров, позволяет сделать следующие выводы.

— Использование предложенного метода обработки поверхности позволя­ ет улучшить адгезию покрытия на изделиях из полиэтилена низкого давления и полипропилена в 1,5...3 раза по сравнению с обработкой в плазме искрового разряда, и в 30 раз — по сравнению с обработкой матованием;

— Использование искрового разряда, горящего вдоль поверхности поли­ мера, также позволяет существенно улучшить адгезию, однако для получения адгезии, сравнимой с той, что получается при обработке заявляемым способом, обработка должна проводиться со скоростью, использование которой приводит к заметному оплавлению и деформированию поверхности (неровности имеют порядок 50...100 мкм), что в большинстве приложений недопустимо;

— Предложенный способ позволяет обрабатывать сложные криволиней­ ные поверхности деталей, что практически невозможно при использовании тра­ диционных форм обработки в плазме разряда. Удельный энерговклад на еди­ ницу обрабатываемой поверхности (по данному параметру можно оценить энер­ гетические показатели процесса) разрядом и в 5...7 раз ниже по сравнению с качественной обработкой в искровом разряде.

4.3 Выводы по главе Проведенные экспериментальные исследования результатов нанесения УДЧ, полученных путем диспергирования металла в дуговом разряде, перемещаю­ щемся в собственном магнитном поле, на поверхность подложек, говорят о сле­ дующем.

1. При увеличении расстояния «электрод-подложка» происходит умень­ шение количества частиц большого диаметра и увеличение — малого диаметра, при этом общий объем наносимого материала уменьшается на величину 30...60% (в зависимости от условий эксперимента);

2. Основным механизмом уменьшения размера диспергированных капель материала электрода; является рэлеевская неустойчивость. Эта неустойчивость, развивающаяся в непосредственной близости от поверхности электродов (до 75 мм) приводит к тому, что размеры основной части частиц уменьшаются при­ близительно на 2 порядка;

3. На уменьшение удельного объема частиц на единицу поверхности по­ жложки при увеличении расстояния «электрод-подложка» оказывает влияние газовая динамика процесса разлета паров плазмы. При расстояниях более 75 мм частицы успевают потерять значительную часть своей кинетической энергии.

В результате — они либо не достигают подложки, либо не закрепляются на ней;

4. Комплексное воздействие, которое оказывает на поверхность полимера плазменный сгусток, движущийся между протяженными электродами, положи­ тельно сказывается на адгезионных свойствах полимерных подложек.

Основные научные и практические результаты, полученные в ходе выпол­ нения настоящей работы, которые состоят в следующем:

1. Предложен и исследован новый способ получения УДЧ проводящих ма­ териалов;

2. Создан экспериментальный образец технологической установки, реали­ зующей этот способ;

3. Показано, что в зависимости от параметров установки и ее источника питания, с ее помощью возможно получение УДЧ с размерами в диапазоне 10... 500 нм;

4. Разработан метод расчета параметров технологической установки при сложной форме импульса протекающего тока;

5. Разработана система измерения импульсов тока малой длительности и высокой амплитуды для диагностики процессов в технологической установке;

6. Разработана математическая модель процессов, происходящих при ини­ циации разряда в технологической установке;

7. Проведены экспериментальные исследования режимов работы установ­ ки и определена их связь с параметрами получаемых УДЧ;

8. Показана возможность нанесения получаемых ультрадисперсных частиц напрямую на поверхности (в том числе полимерных материалов), где они в даль­ нейшем будут использоваться;

9. Показана возможность применения разработанной технологии для улуч­ шения адгезии полимерных материалов.

1. Ivanov Y. F., Osmonoliev M. N., Sedoi V. S. Productions of Ultra-Fine Pow­ ders and Their Use in High Energetic Compositions // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2003. Vol. 28, no. 6. P. 319–333.

2. Мошников В. А., Теруков Е. И. Основы водородной энергетики. СПб: Изд­ во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. 288 с.

3. Минько Н. И., Строкова В. В., Жерновский И. В., Нарцев В. М. Методы получения и свойства нанообъектов. М.: Флинта, 2009. 168 с.

4. Гусев А. И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свой­ ства. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 200 с.

5. Беляков А. В. Методы получения неорганических неметаллических наноча­ стиц. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2003. 80 с.

6. Brinker C. J., Scherer G. W. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing. Boston: Academic Press, 1990. 908 p.

7. Wei T., Chen C., Chien H., HuA S. L. C. Cost-Effective Supecapacitor Material of Ultrahigh Specific Capacitances: Spinel Nickel Cobaltite Aerogels from an Epoxide-Driven Sol-Gel Process // Adv. Mater. 2010. Vol. 22. P. 347–351.

8. Пат. 2380195 РФ, МПК7 B22F 9/14, B82B 3/00, C23C 4/00. Способ полу­ чения осажденных на носителе наночастиц металла или полупроводника / Карпов Д. А., Литуновский В. Н. Опубл. 27.01.2010. Бюл. №3.

9. Shigehiro K., Terufumi M. Silicon Carbide dispersion strengthening of magne­ sium using mechanical alloying method // Materials Trans. 2008. Vol. 49, no. 2.

P. 304–309.

10. Черник Г., Фокина Е., Будим Н. и др. Измельчение и механическое легиро­ вание в планетарных мельницах // Наноиндустрия. 2008. № 5. С. 304–309.

11. Гончаров В. Д., Новик А. А. Применение технологического ультразвука для производства ультрадисперсных материалов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 5. С. 98–103.

12. Мазанко В. Ф., Покоев А. В., Миронов В. М. и др. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций: в 2-x т. М.: Машиностроение, 2006. Т. 2. 323 с.

13. Григорьев А. И., Ширяева С. О. Закономерности рэлеевского распада заря­ женной капли // ЖТФ. 1991. Т. 61, № 3. С. 19–28.

14. Электрический взрыв проводников / Под ред. А. А. Рухадзе, И. С. Шпиге­ ля. М.: Мир, 1965. 360 с.

15. Cho C. H., Park S. H., Choi Y. W., Kim B. G. Production of nanopowders by wire explosion in liquid media // Surface & Coating Technology. 2007. Vol. 201.

P. 4847–4849.

16. Барченко В. Т., Гончаров В. Д., Лисенков А. А., Сабуров И. В. Вакуумный метод получения порошков // Вакуумная техника и технология. 2009. Т. 19, № 2. С. 77–80.

17. Kozhevin V. M., Yavsin D. A., Kouznetsov V. M. et al. Granulated metal nanos­ tructure deposited by laser ablation accompanied by cascade drop fission // J.

Vac. Sci. Technol. 2000. Vol. 18. P. 1402–1405.

18. Григорьев А. И., Ширяева С. О., Коромыслов А. В. Капиллярные колеба­ ния и устойчивость заряженной вязкой капли в вязкой диэлектрической среде // ЖТФ. 1998. Т. 68, № 9. С. 1–8.

19. Gurevich S. A., Yassievich I. N., Kozhevin V. M. et al. Catalytic Properties of High-Density Monodispersive Metal Nanostructures // MRS Proceedings.

Vol. 806. 2003. — 1.

20. Горохов М. В., Кожевин В. М., Явсин Д. А. и др. Получение структур из аморфных металлических наночастиц диспергированием металлических капель, непрерывно заряжаемых в потоке электронов // ЖТФ. 2012. Т. 82, № 6. С. 135–141.

21. Корчагин А. И. Электронно-лучевая технология получения нанодисперс­ ных порошков диоксида кремния при атмосферном давлении: дис....

д-ра техн. наук / Томский политехн. ун-т. 2004.

22. Ремнев Г. Е., Закутаев А. Н., др. Ю. Ф. И. и. Получение ультрадисперсных порошков при распылении мишени мощным ионным пучком наносекундной длительности // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, № 23. С. 24–29.

23. Горохов М. В., Кожевин В. М., Явсин Д. А., Гуревич С. А. Электрогидроди­ намическое диспергирование металлов с использованием электронно-луче­ вого нагрева // ЖТФ. 2008. Т. 78, № 9. С. 46–51.

24. Погребняк А. Д., Ильяшенко М. В., Кульментьева О. П. и др. Структура и свойства твердого сплава, нанесенного на медную подложку с помощью импульсно-плазменной технологии // ЖТФ. 2001. Т. 71, № 7. С. 111–118.

25. Блум Х. Схемотехника и применение мощных импульсных устройств. М.:

Додэка-XXI, 2008. 352 с.

26. Опре В. М. Генерирование мощных импульсов тока регулируемой длитель­ ности // Силовая электроника. 2008. № 2. С. 106–109.

27. Моругин Л. А., Глебович Г. В. Наносекундная импульсная техника. М.:

Сов. радио, 1964. 623 с.

28. Опре В. М. Генераторы прямоугольных импульсов тока на основе искус­ ственных линий // Силовая электроника. 2008. № 1. С. 56–61.

29. Опре В. М. Генерирование мощных импульсов тока регулируемой формы // Силовая электроника. 2008. № 3. С. 66–69.

30. Long G. C. Railgun Current Density Distributions // IEEE Trans. on Magnetics.

1986. Vol. MAG-22, no. 6. P. 1597–1602.

31. Zhou Y., Yan P., Yuan W. Q. et al. Current distribution and inductance gradient calculation at different rail geometric parameters // IEEE Pulsed Power Conf.

2009. P. 1290–1293.

32. Kerrisk J. Electrical and thermal modelling of raiguns // IEEE Trans. on Mag­ netics. 1984. Vol. MAG-20, no. 2. P. 399–402.

33. Панин В. В., Степанов Б. М. Измерение импульсных магнитных и электри­ ческих полей. М.: Энергоатомиздат, 1987. 120 с.

34. Куракин Р. О., Жуков Б. Г., Розов С. И., Сахаров В. А. Гиперскоростные электромагнитные метатели твердых тел лабораторного масштаба: опыт со­ здания и использование в научных исследованиях // Фундаментальные про­ блемы высокоскоростных течений: материалы междун. науч. конф. Нико­ лаев: 2004. С. 1290–1293.

35. Рельсовые электромагнитные ускорители твердых тел. Достижения. Про­ блемы. Перспективы., Под ред. Г. А. Швецова, А. Г. А. и. др. Новосибирск:

Изд-во ин-та гидродинамики, 2004. С. 282–304.

36. Минько Л. Я. Получение и исследование импульсных плазменных потоков.

Минск: Наука и техника, 1970. 184 с.

37. Meger R. A., Cooper K., Jones H. et al. Analysis of rail surfaces from a multishot railgun // IEEE Trans. on Magnetics. 2005. Vol. 41, no. 1. P. 211–213.

38. Жуков Б. Г., Резников Б. И., Куракин Р. О., Розов С. И. Влияние плотности газа на движение свободного плазменного поршня в канале плазмотрона // ЖТФ. 2007. Т. 77, № 7. С. 43–49.

39. Пат. 2388192 РФ, МПК7 H05H 1/00, G01N 27/00. Способ нагрева катода и зажигания дугового разряда с металлической проволочкой между электро­ дами / Кузьмин Р. Н., Мискинова Н. А., Швилкин Б. Н. Опубл. 27.04.2010.

Бюл. №12.

40. Taylor M. J. Interruption of the explosion of plasma initiator wires // Electro­ magnetic Launch Technology. 12th Symposium on. 2004. P. 312–317.

41. Фролов В. Я. Электротехнологические промышленные установки: учеб. по­ собие. СПб: Изд-во политехн. ун-та, 2010. 752 с.

42. Гончаров В. Д., Смирнов А. Б. Использование высоковольтных ионизиру­ ющих импульсов напряжения для улучшения характеристик электротех­ нологических газоразрядных приборов // Источники питания с высокими технико-экономическими показателями: тез. докл. всес. конф. М.: 1983.

С. 24–25.

43. Королев Ю. Д., Месяц Г. А. Физика импульсного пробоя в газах. М.: Наука, 1991. 224 с.

44. Фискин Е. М. Использование модулрованного тлеющего разряда в электро­ технологии. Иркутск: ИрГТУ, 2000. 84 с.

45. Райзер Ю. П. Физика газового разряда: учеб. руководство для вузов. М.:

Наука, 1992. 536 с.

46. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М.: Атомиз­ дат, 1961. 216 с.

47. Велихов Е. П., Голубев В. С., Пашкин С. В. Тлеющий разряд в потоке газа // УФН. 1982. Т. 137, № 1. С. 117–150.

48. Лисовский В. А. Определение коэффициентов переноса электронов в аргоне из кривых зажигания ВЧ и комбинированных разрядов низкого давления // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24, № 8. С. 49–55.

49. Kortshagen U. Electron and ion distribution function in RF and microwave plasmas // Plasma sources Science and Technology. 1995. Т. 4, № 2. С. 172–182.

50. Биберман Л. М., Воробьев В. С., Якубов И. Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 376 с.

51. Дресвин С. В., Донской А. В., Гольдфарб В. М., Клубникин В. С. Физика и техника низкотемпературной плазмы. М.: Атомиздат, 1972. 352 с.

52. Yamori A., Ono Y., Sasaki S. Development of a plasma armature railgun with two distributed power supplies // Electromagnetic Launch Technology. 12th Symposium on. 2004. P. 149–154.

53. Слухоцкий А. Е., Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.:

Энергия, 1974. 264 с.

54. Кузнецов Ю. В., Баев А. Б. Спектральный и временной анализ импульсных и периодических сигналов. М.: Изд-во МАИ, 2007. 95 с.

55. Раушер К., Йансен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа. М.:

Горячая линия-Телеком, 2006. 224 с.

56. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1965. 780 с.

57. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: На­ ука, 1971. 544 с.

58. Джексон Д. Классическая электродинамика. М.: Мир, 1965. 702 с.

59. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жид­ костях. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. 702 с.

60. Фрюнгель Ф. Импульсная техника. М.: Энергия, 1965. 488 с.

61. Импульсный разряд в диэлектриках / Под ред. Г. А. Месяца. Новосибирск:

Наука, 1985. 162 с.

62. Барсуков В. И. Атомный спектральный анализ. М.: Машиностроение, 2005.

63. Moaveni S. Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS. Pren­ tice Hall, 2008. 880 p.

64. Чигарев А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Ф. ANSYS для инженеров. М.:

Машиностроение, 2004. 512 с.

65. Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: Мир, 1964. 773 с.

66. Капцов Н. А. Электрические явления в газах и вакууме. М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1947. 808 с.

67. Шампайн Л. Ф., Гладвел И., Томпсон С. Решение обыкновенных дифферен­ циальных уравнений с использованием MATLAB. М.: Лань, 2009. 304 с.

68. Новгородцев А. Б. Расчет электрических цепей в MATLAB. СПб: Питер, 2004. 250 с.

69. Глинов А. П., Полтанов А. Е., Дегтев Ю. Г. и др. О возможности исполь­ зования рельсотронных дуг для очистки металлических поверхностей // ТВТ. 2004. № 4. С. 635–639.

70. Пат. 2471884 РФ, МПК7 C23C 14/24. Способ обработки поверхности матери­ алов и устройство для его осуществления / Гончаров В. Д., Самсонов Д. С., Фискин Е. М. Опубл. 10.01.2013. Бюл. №1.

71. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно-силовая микроскопия для нанотех­ нологии и диагностики. СПб: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2009. 80 с.

72. Забродский А. Г. Физика, микро- и нанотехнологии портативных топливных элементов // УФН. 2006. Т. 176, № 4. С. 444–449.

73. Гончаров В. Д., Самсонов Д. С., Грачева И. Е. и др. Технология повышения адгезии полимерных материалов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011.

№ 9. С. 81–88.

74. Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1969.

75. Вакула В. Л., Притыкин Л. М. Физическая химия адгезии полимеров. М.:

Химия, 1984. 224 с.

76. Головятинский С. А. Модификация поверхности полимеров импульсной плазмой атмосферного давления // Вестник Харьк. ун-та. 2004. № 628.

С. 80–86.

77. Гончаров В. Д., Фискин Е. М., Фискина М. М. Тлеющий разряд в электро­ технологии. Иркутск: Изд-во ИПИ, 2003. 156 с.

78. Матханов П. Н., Гоголицын Л. З. Расчет импульсных трансформаторов. Л.:

Энергия, 1980. 112 с.

79. Ицхоки Я. С. Импульсная техника. М.: Сов. радио, 1949. 296 с.

80. Боровик Е. С., Мильнер А. С. Лекции по ферромагнетизму. Харьков: Изд­ во Харьк. ун-та, 1960. 235 с.

81. Chan J. H., Vladimirescu A., Gao X.-C. et al. Nonlinear Transformer Model for Circuit Simulation // Trans. on computer-aided design. 1991. Vol. 10, no. 4.

P. 476–482.

82. Корицкий Ю. В., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Справочник по электротех­ ническим материалам. Л.: Энергоатомиздат, 1988. Т. 3. 728 с.

83. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей. М.: Энергоатом­ издат, 1986. 488 с.

Численный расчет процесса инициации Листинг A.1 содержит текст программы на языке APDL, интерпретируе­ мой в среде конечно-элементного анализа ANSYS. Программа содержит описа­ ние параметров модели, построение ее геометрии и присвоение областям свойств материалов, создание сетки конечных элементов, установку граничных условий и нагрузок, и вывод результатов решения. Обозначения параметров соответству­ ют рис. 3.5, а.

Листинг A.1 — Текст программы расчета динамики пространственного распределения тем­ пературы в области инициации основного разряда finish / clear, START /cwd, ’ h : \ anzad \vd \ ’ ! Смена текущего рабочего каталога / filname, ’ rail_vd ’, on ! Имя задачи (ключ ON начинает все / config, nres, 1 0 0 0 0 ! Предельное количество сохраняемых /prep !**** ! Параметры модели !**** * set, D2, 1. 7 0 * D1+D5+1e3 ! высота области ( вправо ) !**** ! Типы элементов !**** !**** ! Свойства материалов !**** ! 1 газ ( воздух ) mptemp mptemp, 1, 2. 0 4 e +3,2.25 e +3,2.40 e +3, 2. 6 3 e +3,2.89 e +3,3.16 e+ mpdata, kxx, 1, 1, 2. 9 4 e 1,3.44 e 1,4.07 e 1, 4. 8 2 e 1,5.72 e 1,6.81 e mptemp, 7, 3. 4 2 e +3,3.68 e +3,3.90 e +3, 4. 0 7 e +3,4.24 e +3,4.39 e+ mpdata, kxx, 1, 7, 8. 1 0 e 1,9.67 e 1,1.15 e +0, 1. 3 7 e +0,1.64 e +0,1.97 e mptemp, 1 3, 4. 5 3 e +3,4.66 e +3,4.80 e +3, 4. 9 2 e +3,5.04 e +3,5.15 e+ mpdata, kxx, 1, 1 3, 2. 3 6 e +0,2.82 e +0,3.37 e +0, 4. 0 3 e +0,4.78 e +0,5.57 e+ mptemp, 1 9, 5. 2 3 e +3,5.30 e +3,5.40 e +3, 5. 5 2 e +3,5.64 e +3,5.77 e+ mpdata, kxx, 1, 1 9, 6. 2 2 e +0,6.52 e 0,6.21 e +0, 5. 6 1 e +0,4.78 e +0,5.81 e mptemp, 2 5, 5. 9 3 e +3,6.13 e +3,6.32 e +3, 6. 5 3 e +3,6.73 e +3,6.92 e+ mpdata, kxx, 1, 2 5, 5. 4 2 e +0,5.00 e +0,4.52 e +0, 4. 3 1 e +0,4.33 e 0,4.53 e+ mptemp, 3 1, 7. 1 3 e +3,7.18 e +3,7.30 e +3, 7. 4 4 e +3,7.66 e +3,7.86 e+ mpdata, kxx, 1, 3 1, 4. 8 7 e +0,5.32 e +0,5.90 e +0, 6. 6 2 e +0,7.48 e +0,8.52 e+ mptemp, 3 7, 8. 0 5 e +3,8.22 e +3,8.41 e +3, 8. 6 2 e +3,8.81 e +3,9.02 e+ mpdata, kxx, 1, 3 7, 8. 5 2 e +0,8.52 e +0,8.52 e +0, 8. 5 2 e +0,8.52 e +0,8.52 e+ mptemp, 4 3, 9. 2 3 e +3,9.44 e +3,9.64 e +3, 9. 8 6 e +3,1.01 e +4,1.03 e+ mpdata, kxx, 1, 4 3, 8. 5 2 e +0,8.52 e +0,9.75 e +0, 1. 1 2 e +1,1.28 e +1,1.46 e+ mptemp, 4 9, 1. 0 5 e +4,1.07 e +4,1.09 e +4, 1. 1 2 e +4,1.14 e +4,1.17 e+ mpdata, kxx, 1, 4 9, 1. 6 8 e +1,1.92 e +1,2.20 e +1, 2. 5 1 e +1,2.85 e +1,3.22 e+ mptemp, 5 5, 1. 1 9 e +4,1.22 e +4,1.25 e +4, 1. 2 7 e +4,1.30 e +4,1.33 e+ mpdata, kxx, 1, 5 5, 3. 6 0 e +1,4.00 e +1,4.42 e +1, 4. 9 0 e +1,5.43 e +1,5.98 e+ mptemp, 6 1, 1. 3 6 e +4,1.39 e +4,1.41 e +4, 1. 4 4 e +4,1.47 e+ mpdata, kxx, 1, 6 1, 6. 5 5 e +1,7.13 e +1,7.73 e +1, 8. 3 7 e +1,9.13 e+ ! 2 диэлектрическая вставка ( текстолит ) mp, kxx, 2, 0. ! 3 сталь mp, kxx, 3, !**** ! Геометрия (2D) !**** ! диэлектрическая вставка rectng, 0, D5+D1, 0, a ! основной электрод rectng, 0, D5, a1, a rectng, D5/2,D5, a1+a3 0.25* a3, a1+a3+a4 +0.25* a rectng, D5, D5+D1+0.5* a1, a1 0.2* a1, a1 +0.35* a rectng, D5+D1, D5+D1+0.5* a1, 0, a1 +0.35* a ! зона энерговклада k, 1 0 1, D5, a1+a3+a4/2a5 / k, 1 0 2, D5, a1+a3+a4/2+a5 / k, 1 0 3, D5+D3, a1+a3+a4 / a,101,102, ! газ rectng, D5, D2, 0, a aovlap, a l l !**** ! Сопоставление свойств материалов областям !**** aatt, 1,, mshape, 0, 2 d asel, s, area,, 8 ! область металла asel, a, area,, aatt, 3,, asel, s, area,, 2 ! область диэлектрической вставки asel, a, area,, asel, a, area,, aatt, 2,, asel, s, area,, 3 ! область газа asel, a, area,, asel, a, area,, asel, a, area,, aatt, 1,, !**** ! Создание вычислительной сетки !**** mshape, 1, 2 d asel, s, area,, asel, a, area,, asel, a, area,, asel, a, area,, aesize, a l l, 8 e asel, s, area,, asel, a, area,, asel, a, area,, asel, a, area,, asel, a, area,, aesize, a l l, 1 e asel, a l l amesh, 1, 1 0, !**** ! Сохранение условий задачи в БД !**** save,,,, model finish !**** ! Задаем параметры численного решателя и считываем ! из внешних файлов зависимость вкладываемой мощности от ! времени !**** / solu antype, trans ncnv, !**** Установка источников теплоты nsel, s, loc, y, a1+a3, a1+a3+a nsel, r, loc, x, D5, D5+D allsel, all !**** ГУ на верхней грани allsel, all !**** ГУ на левой грани allsel, all !**** ГУ на нижней грани ( плоскость симметрии системы ) allsel, all !***** ГУ на правой грани allsel, all lswrite, n *enddo allsel, all outres, a l l, a l l lssolve, 1, n finish /post finish С помощью данной программы произведен расчет динамики простран­ ственного распределения температуры в области инициации основного разря­ да при различных значениях 3. Размер области моделирования (параметры 2 и 2 ) выбирался таким, чтобы границы не влияли на результаты расчета.

Конечно-элементная расчетная сетка имеет сгущения в области основного элек­ трода и диэлектрической вставки для более получения более точного решения.

Временной шаг решения выбран экспериментально по критерию сходимости решения. На рис. A.1 приведен пример такого расчета при 3 = 3 мм.

Рисунок A.1 — Динамика пространственного распределения температуры в области инициа­ ции основного разряда Расределения температуры в области инициации основного разряда, со­ ответствующие экспериментально полученным моментам инициации основного разряда 1, приведены на рис. A.2.

Рисунок A.2 — Распределение температуры в области инициации основного разряда в мо­ мент 1 для различных Численный расчет динамики индуктивности вторичной обмотки трансформатора устройства B.1 Основные положения Одним из распространенных подходов к построению устройств для полу­ чения импульсов высокого напряжения основан на применении импульсного повышающего трансформатора. Трансформатор в таких устройствах обычно выполняется на ферритовом сердечнике, имеющем высокое значение магнит­ ной проницаемости [78]. Обеспечение работы такого сердечника при высоких значениях напряженности магнитного поля требует включения воздушного за­ зора в путь магнитного потока [79]. Определение формы тока в цепи (), содер­ жащей обмотку такого трансформатора, требует отдельного расчета. Обмотка рассматривается в схеме замещения как сосредоточенный индуктивный элемент (()), имеющий нестационарный нелинейный характер, определяемый свой­ ствами феррита.

Согласно второму уравнению Максвелла [58], вольт-амперная характери­ стика –элемента в общем виде определяется как где (()) — его полный магнитный поток (потокосцепление). Отсюда Полный магнитный поток –элемента в виде многовитковой катушки опре­ делятся выражением (()) = (()), где (()) — магнитный поток одного витка с током, — количество витков. Магнитный поток одного витка, в свою очередь, складывается из двух составляющих: (()) = (()) + (()), где (()) = (()) — часть потока, замыкающаяся через сердечник, а (()) = ( ) (()) — часть, замыкающаяся в зазоре между обмоткой и сердечником.

Согласно известному условию для индукции магнитного поля на границе раздела сред [58], амплитуды магнитной индукции в феррите и воздушном зазо­ ре и соотносятся следующим образом: = (рис. B.1), поскольку, с учетом малости зазора нормальной составляющей индукции можно пренебречь.

Из этого соотношения ясно, что при выборе феррита с высокой начальной маг­ Рисунок B.1 — Граничные условия электромагнитного поля при нулевом поверхностном токе нитной проницаемостью вклад () в общий поток при малых напряженностях пренебрежимо мал, т. е., в этом случае можно принять, что () ().

Описание () требует рассмотрения зависимости напряженности магнит­ ного поля в феррите от тока (), с которой индукция в статическом прибли­ жении связана нелинейной зависимостью имеющей гистерезис, т. е., расчет зависимости (()) требует учета предысто­ рии его состояний [80].

Зависимость (()) можно получить, рассмотрев закон полного тока для витков катушки, по которым течет ток ():

где — длина части средней силовой линии магнитного поля, проходящей че­ рез феррит, () — напряженность магнитного поля в воздушном зазоре, — толщина воздушного зазора. Поскольку толщина зазора обычно много меньше характерного размера сечения феррита, с учетом условия для магнитного поля на границе раздела сред, можно принять, что =. Тогда (B.3) можно С учетом (B.2) выражение (B.4) примет вид откуда можно выразить искомую зависимость (()):

где ( (())) — справочная зависимсть, известная для конкретного типа феррита.

Преобразуя (B.1), окончательно получим выражение для расчета индук­ тивности содержащее, помимо (), только геометрические параметры и свойста магнито­ провода, содержащиеся в справочниках.

B.2 Численный расчет индуктивности Для численного расчета производная (())/() выражена через ко­ нечные приращения:

Расчет предыстории смещения рабочей точки ( (())) вследствие эф­ фекта гистерезиса производился на основе подхода, описанного в [81]. Соглас­ но данному подходу, предельная петля гистерезиса феррита аппроксимируется функией вида где индукция насыщения, коэрцитивная сила и остаточная индукция — справочные параметры. Основная кривая намагничивания (она же при­ нимается и начальной кривой намагничивания) при этом описывается выраже­ Получаемая при использовании зависимостей (B.6) модельная петля ги­ стерезиса не замыкается в точках насыщения феррита ( ; ) и ( ; ), а сами кривые пересекаются в бесконечно удаленной точке (рис. B.2, а). Для упрощения моделирования в приведенные зависимости введен параметр, бла­ годаря которому модельная петля гистерезиса целиком содержится в указанном диапазоне. Значения, выходящие за диапазон гистерезиса, описываются при этом линейной функцией, отражающей насыщение феррита. Модифицирован­ ные модельные кривые намагничивания сохранили непрерывность (рис. B.2, б ) и имеют следующий вид:

Рисунок B.2 — Вид модельной кривой гистерезиса: а — функция, предложенная в [81]; б — модифицированная функция Каждый шаг численного расчета состоит из двух действий. Сперва опре­ деляется область на графике (рис. B.3, а), в которой находится предыдущая расчетная точка ;, а затем, в соответствии с выбранной областью, про­ изводится расчет следующей точки по одному из следующих соотношений:

где и определяются из уравнений где и определяются из уравнений где и определяются из уравнений где и определяются из уравнений В качестве пояснения на рис. B.3 приведены графики, иллюстрирующие соот­ ношения (B.7)...(B.11).

B.3 Результаты расчета Параметры повышающего трансформатора выбраны на основе рекоменда­ ций, приведенных в [78], исходя из необходимости обеспечить с помощью вто­ ричной обмотки инициирующий искровой пробой с общим энерговкладом 1 Дж и амплитудой напряжения не менее 1,5 · 104 В. Простейшее схемотехническое решение источника питания первичной обмотки позволяет обеспечить в ней им­ пульс напряжения амплитудой приблизительно 6 · 102 В, откуда следует, что Рисунок B.3 — Кривая гистерезиса с выделенными расчетными участками (а) и графики функции () в зависимости от положения предыдущей расчетной точки (б )...(д ) без применения дополнительных ступеней пребразования коэффициент транс­ формации должен составлять приблизительно 30. Типовой вид сердечника для решаемой задачи — стержневой с цилиндрическим расположением обмоток.

Сердечник представляет собой шесть П-образных элементов типоразмера ПК40 18 из феррита марки 2500НМС1. Элементы совмещены по три, и обра­ зуют рамку с воздушным зазором толщиной. Вторичная обмотка разбита на две секции по 90 витков, включенные согласно. Эскиз одного П-образного эле­ мента сердечника приведен на рис. B.4, а. Эскиз общей конструкции сердечника показан на рис. B.4, б. Параметры сердечника и вторичной обмотки сведены в Рисунок B.4 — Схема вторичной обмотки повышающего трансформатора табл. B.1. Исходные данные о кривой намагничивания феррита взяты из [82].

Расчет динамики индуктивности вторичной обмотки производился соглас­ но приведенным выше соображениям. На рис. B.5, а приведено сравнение спра­ вочной и модельной (при = 7,70 · 104 ) начальных кривых намагничивания феррита. Видно их хорошее соответствие в целом, однако для, близких к нулю (что соответствует близким к нулю значениям тока ()), значение относи­ тельной магнитной проницаемости для модельной и экспериментальной функ­ ций ( (())) будут отличаться. Причина в том, что справочная кривая для малых значений напряженности магнитного поля более пологая, чем модель­ ная, однако данный факт незначительно отражается на получаемых при моде­ лировании значениях индуктивности.

При значениях, соответствующих токам более 20 А, относительная маг­ Таблица B.1 — Параметры сердечника трансформатора и вторичной обмотки Эффективная длина линии Полная площадь внутреннего Эффективная площадь поперечного Рисунок B.5 — Сравнение модельной и справочной зависимостей (): а — общий вид, б — основная кривая намагничивания для малых значений H нитная проницаемость феррита устремляется к 1. При этом, а зна­ чение можно считать постоянным. В этом случае для ее расчета становится пригодна методика, описанная в [83].

В первом приближении секции обмотки можно считать катушками с круг­ лым поперечным сечением площадью. Тогда индуктивность каждой из них можно рассчитать по выражению 0 2 / 2, 30·104 Гн, а их взаимную индуктивность — по выражению где = будет равна = 2 ( + ) = 4, 74 · 104 Гн.

На рис. B.6 приведены результаты моделирования динамики индуктивно­ сти вторичной обмотки согласно полученным выше закономерностям.

Рисунок B.6 — Результаты численного расчета динамики индуктивности вторичной обмотки Материалы по внедрению результатов работы