Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование характеристик ВЧ разрядов в присутствии твердых тел

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.5083
Организация
ФГБОУ ВО "КНИТУ"
Руководитель работ
Быканов Александр Николаевич
Продолжительность работ
2009 - 2010, 14 мес.
Бюджетные средства
3 млн
Внебюджетные средства
0 млн

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Гафаров Илдар Гарифович

Этапы проекта

1
20.07.2009 - 30.09.2009
Основным результатом проведённых исследований в рамках выполнения первого этапа по государственному контракту № 0.2.740.11.5083 является выбор направлений исследования ВЧ разрядов пониженного давления в присутствии твердого тела.
В работе на основании особенностей ВЧ разряда пониженного давления разработаны методики определения концентрации электронов СВЧ методами, напряженности магнитного поля магнитным зондом, плотности тока разряда поясом Роговского, толщины слоя положительного разряда методом голографической интерферометрии.
В результате исследований получены калибровочные зависимости для СВЧ резонатора, магнитного зонда и пояса Роговского. Проведен выбор образцов для размещения их в ВЧ разряде.
Развернуть
2
01.10.2009 - 15.12.2009
В результате исследований определены в ВЧ разряде пониженного давления с продувом плазмообразующего газа концентрации электронов, напряженности магнитного поля, плотности тока разряда, толщины слоя положительного заряда. Установлены зависимости исследованных параметров с внешними характеристиками ВЧ установки: потребляемая мощность, расход плазмообразующего газа, давление в вакуумном блоке.
Результаты исследований показали, что существует оптимальный расход плазмообразующего газа, при котором степень ионизации максимальна, а радиальное распределение концентрации электронов наиболее однородно, следовательно, максимальна и равномерность обработки в пределах струи. Устанавливать режим обработки можно не только измерением расхода и мощности разряда, но и перемещением обрабатываемого тела вдоль струи, а при размерах тела намного больших диаметра плазмотрона – перемещением его по радиусу струи.
Появление в плазменной струе ВЧИ разряда азимутальной и аксиальной составляющих магнитного поля, аксиальной и азимутальной составляющих плотности ВЧ тока говорит о возникновении емкостной составляющей между плазмотроном и обрабатываемым телом. Таким образом, плазменная струя ВЧ индукционного разряда является не потоком рекомбинирующей плазмы, как в ВЧИ разряде атмосферного давления, а представляет собой ВЧ разряд комбинированного типа (индукционно-емкостного).
Исследования показали, что даже небольшие добавки в плазмообразующую среду аргона другого газа нарушают согласование генератора с плазменной нагрузкой и усложняют поддержание режима обработки. Кроме того, введение даже 0,1% реакционно-способного газа в аргон ведет к активному протеканию плазмохимических реакций на поверхности обрабатываемого тела, поэтому целесообразно проводить обработку деталей химически активной плазмой при добавлении газа не в разряд, а в струю. При этом теплосодержание струи меняется незначительно, а реакции на поверхности тела протекают достаточно эффективно.
Зависимости энергии ионов от расхода газа и мощности разряда в ВЧ индукционной плазме носят более сложный, немонотонный характер. С увеличением Gг и Рр энергия ионов сначала возрастает, затем уменьшается, потом вновь возрастает. Координаты минимума Wi зависят от сочетания значений расхода газа и мощности разряда.
Обоснована математическая модель взаимодействия потока плазмы с твердыми телами. Задача расчета влияния размещения твердого тела на параметры ВЧ плазмы разбивается на 2 подзадачи: расчет характеристик квазинейтрального потока ВЧ плазмы и расчет энергии ионной бомбардировки и плотности ионного тока.
Проведен патентный поиск по теме взаимодействие поверхности твердого тела с ВЧ плазмой пониженного давления с продувом плазмообразующего газа. Выбраны аналоги для последующего анализа.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
Целью работ по этапу 3 является проведение измерений параметров высокочастотных (ВЧ) разрядов в присутствии твердых тел, разработка математической модели взаимодействия ВЧ разрядов с продувом плазмообразующего газа, исследование свойств материалов после обработки в ВЧ плазме.
Для измерения спектров ВЧ разрядов использовались оптоволоконные спектрометры фирмы Ocean Optics. Один спектрометр был оптимизирован (тип оптоволокна, дифракционная решетка, фотоприемник и входная щель) для измерения ультрафиолетового участка спектра в диапазоне длин волн от 200 до 420 нм. Второй спектрометр измерял спектр в диапазоне от 300 до 1000 нм. Таким образом, перекрывался широкий участок спектра от ультрафиолетового до ближнего инракрасного, причем ультрафиолетовый участок снимался с относительно высоким спектральным разрешением. Обработка результатов измерений производилась при помощи специальных программ, написанных в среде MatLAB 2007b в рамках выполнения данного проекта. Перед проведением измерений проведена калибровка спектрометров по длине волны. Проведены исследования спектров в высокочастотных разрядах емкостного и индукционного типа пониженного давления, в высокочастотном индукционном разряде атмосферного давления. Результаты анализа результатов экспериментов в соответствии с календарным планом работ будут представлены в заключительном отчете.
С учетом работ, выполненных по этапам 1-2, создан магнитны зонд для измерения напряженности магнитного поля в плазме ВЧ индукционного разряда на частоте 1.76 МГц. Зонд представляет собой несколько витков медной проволоки (диаметр проволоки около 0. 2 мм) намотанных на оправку малого диаметра (например, сверло, диаметром 3-5 мм) и помещенных в экранирующий кожух с разрезом для проникновения магнитного поля внутрь зонда. Кожух служит как для экранирования от электрического поля (напряженность которого в индукторе и разряде может быть довольно высокой), так и для защиты зонда от тепловых потоков.
Изготовлен дифференциальный усилитель для проведения зондовых исследований. Усилитель собран на операционных усилителях AD827JN (дифференциальный входной каскад) и AD848 (усилительный выходной каскад). Усилитель помещен в экранирующий корпус для устранения наводок. Входной каскад и усилительный каскад со стабилизаторами напряжения конструктивно размещены на двух отдельных платах.
  Представлена математическая модель для расчета характеристик потока ВЧ плазмы пониженного давления при взаимодействии с плазмы с твердым телом. Рассмотрена модель СПЗ, возникающего при модификации поверхности заземленных образцов из проводящих материалов. Модель построена для плазмы инертного газа. Предполагается, что плазма состоит из нейтральных атомов, электронов и положительных однозарядных ионов. Результаты численных расчетов показали, что потенциал образца нелинейно зависит от скорости потока, давления и потребляемой мощности установки. Определено, что в диапазоне V = 250-300 м/с, p = 39,9-53,3 Па, мощности разряда Рр, достигаются максимальные значение потенциала, что обеспечивает возможность подбора наиболее эффективных режимов плазменного воздействия на твердое тело.
  Исследовано влияние ВЧ плазменной обработки на физико-механические характеристики поверхности, ответственные за надежность и долговечность изделий, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, исследовалось на специальных образцах по отраслевым методикам. С этой целью изучались усталостные характеристики – предел выносливости и долговечность, остаточные напряжения, механические свойства (временное сопротивление и относительное удлинение), микротвердость. Обработку проводили в струе всех рассматриваемых в настоящей работе типов ВЧ разрядов.
Развернуть
4
01.07.2010 - 15.09.2010
Проведена серия численных экспериментов при варьировании технологических параметров разряда и внешних характеристик плазменной установки, при которых исследовались процессы взаимодействия ВЧ плазмы пониженного давления с поверхностью твердого тела: давление газа, скорость потока, радиус РК, размеры и расположение индуктора и электродов, напряжение на электродах. Разработанная математическая модель ВЧ разрядов пониженного давления может использоваться для подбора и оптимизации режимов ВЧ плазменного воздействия, а также конструктивных параметров ВЧ плазмотронов пониженного давления.
  Для разработки способа получения материалов с заданными свойствами в ВЧ разрядах разработана методика измерения температуры газа в разряде на основе спектральных измерений в УФ диапазоне с неразрешенной вращательной структурой молекулярных спектров. Проведена калибровка спектрометров для проверки правильности и возможной коррекции исходной заводской калибровки приборов. Методика применима как к неравновесным разрядам пониженного давления, так и к равновесным ВЧИ разрядам атмосферного давления. Применение одного спектрометра для измерения ультрафиолетового участка спектра в диапазоне длин волн от 200 до 420 нм, а второго спектрометра для измерения спектра в диапазоне от 300 до 1000 нм., позволило перекрывать широкий участок спектра от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, причем ультрафиолетовый участок снимался с относительно высоким спектральным разрешением. Снятые в УФ диапазоне спектры трех разрядов позволили найти участки диапазона, пригодные для диагностики плазмы, в частности, измерения газовой температуры. Спектральные измерения находятся в хорошем соответствии с измерениями другими методами. Разработанные методики позволяют проводить оптимизацию плазменных параметров при разработке новых технологических процессов и при функционировании действующего оборудования.
Полученные результаты по выполнению данного проекта позволяют разработать новые технические решения. Например, при получении и модифицировании ультрадисперсных (УДП) и нанодисперсных (НДП) порошков в едином технологическом режиме.
роведено обобщение полученных экспериментальных и теоретических данных, на основании которого разработана физико-математическая модель взаимодействия ВЧ плазмы с твердым телом и способ получения новых материалов.
Подготовлена заявка на патент «Способ получения и модификация ультрадисперсных и нано порошков в едином технологическом цикле с использование ВЧ индукционного разряда». Подача заявки планируется на до 25 сентября 2010 года.
Результаты исследований изменения свойств материалов в результате воздействия ВЧ разрядов могут быть использованы для повышения эксплуатационных характеристик изделий из материалов различной физической природы, получения и модифицирование ультрадисперсных и нанодисперсных порошков, при разработке и создания ВЧ плазменных установок и плазмотронов.
  Разработанные методики диагностики плазмы применимы для исследования различных типов разрядов.
Физико-математическая модель может использоваться при проектировании ВЧ плазмотронов под конкретные технологические задачи.
Учебные заведения, специализирующиеся на подготовке специалистов по диагностике и применению плазмы в технологических процессах могут использовать полученные результаты НИР в образовательном процессе. Полученные результаты по выполнению данного проекта позволяют разработать новые технические решения. И могут быть использованы организациями, занимающимися техническими применениями ВЧ разрядов для создания новых материалов, генерации низкотемпературной высокочастотной плазмы пониженного давления, а также разработкой и оптимизацией различного рода энергетических установок, основанных на принципе ВЧ нагрева проводящих сред. В ходе выполнения работ по второму этапу 8 молодых специалистов принимали участие в экспериментальных и теоретических исследованиях ВЧ плазмы. Выполняемые ими исследования и разработки по настоящему контракту проводятся по тематике курсовых и дипломных работ.
Полученные данные НИР по диагностике ВЧ разрядов в присутствии твердого тела и сравнение с решениями этой проблемы зарубежных исследователей, а также разработанный способ и устройство для получения материалов с заданными свойствами, показали, что уровень проведенных исследований соответствует мировому.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.5 Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей
Развитие перспективных направлений и использование новых достижений нанохимии, биотехнологий и алгоритмов управления технологическими процессами для нужд нефтяной и газовой промышленности. 1. Исследование физико-химических характеристик смесей НПАВ: изучение процессов адсорбции на границе жидкость – газ. 2. Исследование и управление процессом адсорбции кислых газов. 3. Синтез регулятора последовательного типа для получения заданных разработчиком характеристик сырья на выходе из химического реактора. 4. Синтез и изучение рострегулирующей активности фурилзамещенных 1,3-диоксациалканов и их ациклических производных. 5. Исследования диэлектрической проницаемости тонких пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металлов на подложках больших размеров. 6. Исследование параметров плазмы микроволнового капиллярного импульсного разряда. 7. Исследование кинетических закономерностей автоокисления высокодисперсного органического вещества нефтематеринских пород в присутствии бикарбоната натрия. 8
Продолжительность работ
2010, 3 мес.
Бюджетные средства
1,8 млн
профинансировано
Тема
Исследование электрофизических и излучательных характеристик мегаамперных разрядов в газах высокой плотности с использованием уникальных стендов и установок.
Продолжительность работ
2008, 5 мес.
Бюджетные средства
4,49 млн
Количество заявок
1
Тема
Развитие сырьевой базы и создание нового поколения вольфрамсодержащих твердых сплавов с улучшенным сочетанием твёрдости, износостойкости, прочности, трещиностойкости и повышенными служебными характеристиками.
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
14
Тема
Подготовка рекомендаций по прогнозированию рисков, обусловленных присутствием токсичных наноматериалов в продуктах питания и окружающей среде.
Продолжительность работ
2008, 1 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Количество заявок
2
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Тема
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Количество заявок
1
Тема
«Разработка метода получения и модификации наночастиц при помощи электрических разрядов в потоках жидкости».
Продолжительность работ
2011 - 2012, 19 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
2