Гаврилова В.А. Исследование многофазного потока плазмы коронного разряда в процессах нанесения покрытий - файл n1.doc

Гаврилова В.А. Исследование многофазного потока плазмы коронного разряда в процессах нанесения покрытий
Скачать все файлы (4503 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc4503kb.15.02.2014 23:30скачать

n1.doc

  1   2


На правах рукописи



ГАВРИЛОВА ВИКТОРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА ПЛАЗМЫ КОРОННОГО РАЗРЯДА В ПРОЦЕССАХ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ


Специальность

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени


кандидата технических наук

Казань 2012




Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» на кафедре «Технологическое оборудование медицинской и легкой промышленности».
Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Кашапов Наиль Фаикович
Официальные оппоненты: Даутов Гали Юнусович,

доктор технических наук,

профессор, ФГБОУ ВПО «КНИТУ-КАИ»,

профессор кафедры общей физики

Зарипов Ринат Герфанович,

доктор физико-математических наук,

профессор ФГБУН ИММ КазНЦ РАН,

заместитель директора

Ведущая организация: ФГБУН Институт металлургии и
материаловедения им. А.А. Байкова РАН



Защита состоится ________________ 2012 г. в ____ час на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева – КАИ» (КГТУ им. А.Н. Туполева): 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан _______________2012 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Низкотемпературная плазма является универсальным инструментом для обработки поверхности, нанесения покрытий с заданными свойствами на детали различной формы.

Методы нанесения полимерно-порошковых покрытий на поверхность весьма разнообразны. В основу их классифика­ции могут быть по­ложены разные признаки: конструктивные формы применяемого оборудования; физическое состояние осаждаемого материала; принцип осаждения и удержания порошка на твер­дой поверхности. Наибольшее признание получили следующие способы нанесе­ния порошковых материалов на поверхность: в кипящем слое, в электростатическом поле, струйное напыление и ряд других.

В настоящее время наблюдается возрастающий интерес к коронному разряду и его применению для получения полимерно-порошковых покрытий с заданными свойствами. Принципиально новым применением подобных покрытий становится использование их в медицинской промышленности, а именно в качестве защитных покрытий сложных медицинских аппаратов.

Подробным изучением поведения порошковых частиц в газодинамическом потоке занимаются такие ученые, как B. Jodoin, P. Richer, S.Gu, D.G. McCartney, C.N. Eastwick, Верещагин И.П., Яковлев А.Д. Однако поведение полимерно-порошковых частиц в поле коронного разряда в процессе нанесения функциональных покрытий до сих пор не рассматривалось.

Существенно сократить объем экспериментов для выявления оптимальных параметров коронного разряда, при которых возможно получение равномерных по толщине полимерно-порошковых покрытий позволяет исследование многофазного потока плазмы коронного разряда в процессах нанесения покрытий и разработка на основе полученных экспериментальных данных физико-математической модели низкотемпературной плазмы, связывающей электрические и динамические параметры разряда с физико-механическими свойствами получаемых покрытий. Для этого необходимо изучение дисперсного состава полимерно-порошковой краски, скоростей движения частиц в поле коронного разряда, вольт-амперных характеристик, и распределение потенциала плазмы.
Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование многофазного потока плазмы коронного разряда в процессе нанесения полимерно-порошковых покрытий и разработка технологии получения покрытий с заданными функциональными свойствами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать характеристики многофазного потока плазмы коронного разряда, движение полимерных микрочастиц в электростатическом поле в процессах нанесения полимерно-порошковых покрытий.

2. Экспериментально исследовать характеристики многофазного потока плазмы коронного разряда, движение полимерных микрочастиц в электростатическом поле в процессах нанесения полимерно-порошковых покрытий.

3. Разработать физико-математическую модель движения микрочастиц в электростатическом поле в процессах нанесения покрытий с заданными свойствами.

4. Экспериментально и теоретически исследовать процесс осаждения частиц полимерно-порошковой краски на подложку.

5. Экспериментально исследовать зависимость свойств полученных покрытий от параметров коронного разряда, газодинамического потока и размера напыляемых частиц.

6. Разработать технологический процесс нанесения покрытий с заданными свойствами для восстановления медицинских УЗИ-датчиков.
Объект и методы исследования. Основным объектом исследования является многофазный поток плазмы коронного разряда.

При исследовании параметров коронного разряда проводились измерения пространственного распределения плавающего потенциала электрического поля, вольт-амперной характеристики коронного разряда при изменении скорости потока, расстояния до подложки, вида и размеров напыляемых частиц.

Для исследования характеристик наносимого порошка использовалась специально разработанная методика измерения его дисперсного состава.

Полученные функциональные покрытия испытывались на равномерность по толщине, прочность, адгезию, износостойкость; дополнительно проведены исследования пропускания ультразвука.
Научная новизна

1. Исследованы характеристики многофазного потока плазмы коронного разряда в процессах нанесения покрытий;

2. Разработана методика определения дисперсного состава частиц наносимого порошка;

3. Впервые определен размер частиц полимерно-порошковой краси, эффективно участвующих в процессе напыления;

4. Разработана физико-математическая модель движения микрочастиц в поле коронного разряда.

5. Установлена закономерность влияния параметров многофазного потока плазмы коронного разряда на характеристики получаемых покрытий;

6. Получены защитные покрытия, равномерные по толщине, соответствующей рабочим частотам медицинских УЗИ-датчиков.
Практическая ценность

Разработана технология нанесения равномерных по толщине защитных полимерно-порошковых покрытий пьезоэлементов медицинских УЗИ-датчиков с заданными свойствами. Создан ультразвуковой сканирующий преобразователь для медицинских диагностических приборов (патент на изобретение № 2436257 от 10.12.2011).

Внедрена в промышленность методика микроскопического исследования дисперсного состава полимерно-порошковой краски.

Работа выполнялась по грантам: Комитет по развитию малого и среднего предпринимательства Республики Татарстан по теме «Восстановление защитного слоя, нанесенного на пьезоэлемент УЗИ-датчиков» (2008 г.); Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «СТАРТ-1» по теме «Ремонт, восстановление и модернизация медицинских УЗИ-датчиков» (2010 г.), грант на получение целевых субсидий субъектам малого и среднего предпринимательства Республики Татарстан для развития инноваций и технологической модернизации производства на территории Республики Татарстан по теме «Ремонт, восстановление и модернизация медицинской техники (в том числе УЗИ» (2010 г.). Проект «Восстановление защитного слоя медицинских УЗИ-датчиков методом электростатического напыления» был отмечен стипендией ОАО «Связьинвестнефтехим» в рамках конкурса Инвестиционно-венчурного Фонда «50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан» Номинация «Старт инноваций» (2010 г.).

Научная и практическая значимость работы подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы. Годовая экономическая эффективность составила 12 944 455 рублей.
На защиту выносятся

1. Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик многофазного потока плазмы коронного разряда;

2. Методика определения дисперсного состава частиц наносимого полимера;

3. Результаты определения размеров частиц полимерно-порошковой краски, эффективно участвующих в процессе нанесения покрытий;

4. Физико-математическая модель движения микрочастиц в электростатическом поле;

5. Установленные закономерности влияния параметров коронного разряда на характеристики получаемых покрытий;

6. Разработанная технология нанесения защитных полимерно-порошковых покрытий на пьезоэлемент УЗИ-датчика.
Степень достоверности и обоснованности научных результатов подтверждается следующим: исследования проведены с применением аттестованных измерительных приборов высокого класса точности на стабильно работающем оборудовании с хорошей повторяемостью результатов; использованы физически обоснованные методики измерений; расчет погрешностей измерений выполнен с применением методов математической статистики и результаты экспериментов сопоставлены с известными опытными и теоретическими данными. Полученные экспериментальным путем данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Третьей Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» Казань, 2007; Научной сессии КГТУ Казань, 2008, 2009, 2010, 212 гг.; Итоговой научной сессии КФУ, 2011 г.; Конкурс студентов вузов по напрвлениям: лазерные и плазменные технологии, квантовая и атомная оптика, нанофотоника Набережные Челны, 2009; Республиканской научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» Казань, 2009, 2010, 2011 гг.; Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС Звенигород, 2010, 2012 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 – статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение, 1 статья в международном журнале.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в постановке задач, получении, обработке и обобщении полученных экспериментальных данных, в подготовке материала к публикации.

Автор выражает благодарность за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов Кашапову Р.Н.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 129 страниц, состоит из введения, 4-х глав, содержащих 51 рисунка и 19 таблиц, выводов, библиографического списка из 135 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована основная цель исследования, поставлены задачи, показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведена структура диссертации.

В первой главе дан обзор существующих в настоящее время полимерно-порошковых покрытий: приведена их классификация, описаны существующие методы нанесения полимерно-порошковых покрытий; основных работ в области физики плазмы, связанных с нанесением покрытий, таких ученых, как: Н.Н. Рыкалин, Ю.В. Цветков, В.М. Фортов, Г.Ю. Даутов, В.В. Кудинов и др.; подробно рассмотрены работы, связанные с применением коронного разряда для нанесения покрытий (И.П. Верещагин, Г.–Н. Дандарон, Рахматуллин Х.А., М.Н. Лившиц, и др.); рассмотрены математические модели униполярного коронного разряда (Д.С. Афанасьев, А.Г. Кутушев, Ю.П. Райзер, и др.); представлены сведения об ультразвуковых датчиках, используемых в медицине, рассмотрена их классификация, представлена проблема выхода из строя медицинских УЗИ-датчиков, связанная с истиранием защитного слоя, нанесенного на пьезоэлемент, сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе рассмотрено оборудование для нанесения полимерно-порошковых покрытий, использовавшаяся измерительная аппаратура, приведены методики проведения измерений параметров разряда и газодинамического потока, методы исследования размеров напыляемых частиц полимера, их концентрации, коэффициента осаждения, представлены методы измерения физико-механических свойств полученных покрытий, дана оценка погрешности измерений.

Измерение параметров многофазного потока плазмы коронного разряда проводилось при помощи измерительного комплекса, в который входили: манометр, киловольтметр постоянного тока, микроамперметр постоянного тока, лабораторный автотрансформатор, трибоэлектротестер для измерения плавающего потенциала плазмы, микроскоп для определения дисперсного состава полимерно-порошковой краски, аналитические весы.

На рис. 1 представлена функциональная схема экспериментальной установки для исследования параметров коронного разряда.



Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки: : 1- камера распыления; 2-металлическая подложка; 3 - пистолет – распылитель; 4 - канал подачи сжатого воздуха; 5 – микроамперметр; 6 – трансформатор; 7 – киловольтметр; 8 – манометр; 9 – лабораторный автотрансформатор.

Исследование и анализ дисперсности проводились для различных образцов порошковых красок: полиэфирной с плотностью 800 кг/м3 и эпокси-полиэфирной с плотностью – 1000 кг/м3, а так же для остатков этих красок после напыления. Выбор красок обусловлен возможностью их использования для покрытий медицинских приборов и наличием заводских свидетельств.

Частицы порошковой краски, находящиеся в объективе микроскопа, фотографировались. Обработка полученных снимков проводилась с помощью программы обработки данных Axiovisionle48, которая позволяет вычислить размер частиц порошка. Дальнейшие расчеты проводились в Microsoft Excel и Calculating area. Описание дисперсного состава порошков производилось по законам Годена-Андреева, Розина-Раммлера и логарифмически нормального закона распределения. Наиболее подходящим для описания дисперсного состава полимерного порошка является закон Годена-Андреева:

(1)

где А – размер частицы; l – параметр, характеризующий направление и степень изгиба кривой распределения; ? — среднеквадратическое отклонение диаметров от их среднего значения.

Секундный массовый расход полимерно-порошковых частиц в процессе нанесения покрытий определялся следующим образом: на аналитических весах была вычислена масса мерного стакана, замерено время нанесения покрытия на деталь - 10 сек. После чего на аналитических весах определялась масса мерного стакана с оставшимся после распыления порошком. Разница масс делилась на время нанесения покрытий.

Скорость потока воздуха в промежутке пистолет-распылитель – опытный образец определялась пневмометрическим способом по результатам измерения давления. Измерения проводились с помощью трубки Пито-Прандтля в 3 сечениях: 1 – в потоке (L1 = 1 мм, h = +1; +2; 0; -1; -2 мм), 2 – в потоке (L2 = 100 мм, h = +5; +10; +15; 0; -5; -10; -15 мм), 3 – перед напыляемой пластиной (L3 = 200 мм, h = +5; +10; +20; +30; 0; -5; -10; -20; -30 мм).

Скорость потока воздуха вычислялась по формуле:

(1)

где ? – плотность воздуха, р – динамическое давление, рст – статическое давление.

Для определения массы осевшей краски, коэффициента осаждения полимерного порошка был проведен эксперимент: на аналитических весах измерялась масса подложки до распыления полимерного порошка и с ним. Масса осевшего порошка вычисляется по формуле 2:

(2)

где mок – масса осевшей краски, mдп – масса детали с нанесенным покрытием, mд – масса детали без покрытия.

Масса осевшей краски измерялась при изменении следующих условий: напряжение на коронирующем электроде, расстояние до подложки, давление подаваемого воздуха, скорости потока.

Коэффициент осаждения полимерного порошка вычисляется по формуле 3:

(3)

где K – коэффициент осаждения полимерного порошка, mок – масса осевшей краски, mрк – масса распыленной краски.

Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с применением методов математической статистики. Каждый эксперимент проводился не менее 5 раз. Погрешность измерений не превышает 7% при доверительной вероятности 0,95.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования движения микрочастиц порошка в электростатическом поле, представлены результаты экспериментальных исследований характеристик коронного разряда в процессе нанесений функциональных покрытий, наносимых полимерно-порошковых частиц, приведена физико-математическая модель движения частиц полимерно-порошковой краски в поле коронного разряда.

Результаты исследования параметров воздушной струи на выходе из пистолета-распылителя представлены на рис. 2.



Рис.2. Распределение скорости воздуха в сечении 1 (L1 = 1 мм) в зависимости от давления воздуха на входе в распылитель: 1 – Pизб = 0,2 атм.; 2 – Pизб = 0,4 атм.; 3 – Pизб =0,6 атм.; 4 – Pизб = 0,8 атм.; 5 – Pизб = 1 атм.



а)



б)

Рис.3. Распределение скорости воздуха: а) - в сечении 2 (L2 = 100 мм) при Pизб = 1 атм; б) - в сечении 3 (L3 = 200 мм) при Pизб = 1 атм.

Наиболее общее представление о механизме коронного разряда в процессе нанесения полимерно-порошковых покрытий можно получить из вольтамперной характеристики (ВАХ). Диаграммы зависимости тока от напряжения представлены на рис. 5. На рис. 6 представлены диаграммы зависимости тока от скорости потока в разряде при различных напряжениях.





Рис. 4. Вольт-амперная характеристика коронного разряда


Рис. 5. Зависимость тока разряда от скорости потока при напряжениях:1 – 10 кВ, 2 – 15 кВ, 3 – 20 кВ, 4 – 25 кВ, 5 – 30 кВ.

Были проведены измерения потенциала электростатического поля при нанесении полимерно-порошковых покрытий на металлические подложки при различных скоростях движения микрочастиц (8 м/с, 10 м/с, 14 м/с, 18 м/с 22 м/с) и расстояниях до подложки (10 см, 15 см, 20 см, 25 см, 30 см).



Рис. 6. Изменение потенциала поля при скорости движения микрочастиц – 10 м/с.

Результаты измерений массы осевшей на подложку в процессе распыления полимерно-порошковой краски, коэффициента осаждения полимерного порошка представлены на рис.7.



а)



б)

Рис. 7. а) – масса осевшей краски; б) – коэффициент осаждения полимерного порошка

Дифференциальные кривые распределения числа частиц по размерам полимерно-порошковой краски и остатков неосевшей полимерно-порошковой краски после ее напыления представлены на рис. 8.



Рис.8. Дифференциальные кривые распределения числа частиц по размерам
Частицы размером 1-12 мкм в процессе напыления уносятся воздухом; частицы порошковой краски размером 14-32 мкм оседают на напыляемую деталь; частицы размером более 35 мкм осыпаются с напыляемой детали. Наиболее подходящей порошковой краски для нанесения полимерно-порошковых покрытий является такая, дисперсный состав которой находится в диапазоне 14-32 мкм.

В начальной зоне течения плотности объемного заряда достаточно близки для всех размеров частиц, однако в основной части промежутка различие в подвижностях начинает сказываться на характере изменения величин плотности объемного заряда. Частицы полимерно-порошковой краски, имеющие средний размер 20 мкм, в процессе напыления в поле коронного разряда приобретают заряд q=110-3 Кл/кг. [Артамонов, А. Ф. Роль дисперсного состава порошковых ЛКМ в процессе окраски / А. Ф. Артамонов, А. В. Панюшкин // Лакокрасочные материалы и их применение. – 2009. –№8. – С. 40- 44].

Моделирование коронного разряда производилось в системе электродов «игла – плоскость». Между частицами в поле коронного разряда существуют силы кулоновского взаимодействия. На основании этого можно допустить отсутствие столкновений между частицами порошка в процессе их движения от пистолета-распылителя до подложки. Поэтому выбрана система уравнений бесстолкновительной динамики монодисперсной двухтемпературной двухскоростной среды без фазовых переходов. В соответствии с концепцией взаимопроникающих континуумов, несущая фаза и дисперсная фазы описываются системой уравнениями неразрывности, сохранения компонент импульса, сохранения энергии. Система уравнений динамики газовзвеси дополнительно учитывает изменение импульса дисперсной фазы под действием силы Кулона. Потенциал электростатического поля находится из решения уравнения Лапласа, в пренебрежении объемным зарядом аэрозоля, с неоднородными граничными условиями 1 рода на поверхности электродов и с однородными условиями 2 рода на свободных границах расчетной области с учетом симметрии задачи.

Пусть дисперсная фаза образована сферическими частицами радиуса R=10 мкм с плотностью вещества Т=1000 кг/м3 и объемным содержанием =0,001. Заряд представленной фазы принимает значение q=110-3 Кл/кг. Рассмотрим движение дисперсной фазы под действием силы со стороны электростатического поля, предполагая аэродинамическую силу трения равной нулю. На рис.9, а) показан потенциал электрического поля, в случае, когда длина коронирующего электрода составляет 0,005м, потенциалы 1=15 кВ, 2= 15кВ. На рис.9, б) приведено поле продольной составляющей скорости частиц, а на рис.9, в) приведено векторное поле скоростей в момент времени t = 1 с. Наибольшая скорость наблюдается вблизи поверхности коронирующего электрода (8 – 22 м/с), а также у кромки плоского электрода, на который производится напыление и достигает 4 м/с (рис. 9, б)). С ростом разности потенциалов между электродами скорость частиц растет линейно.



а)



б)



в)



г)

Рис. 9. Разность потенциалов =30 кВ, длина коронирующего электрода 0,005м: а) - распределение потенциала электрического поля; б) - поле продольной составляющей скорости заряженных аэрозольных частиц; в) - векторное поле скоростей заряженных аэрозольных частиц; г) - сравнение расчетных и экспериментальных данных пространственного распределения потенциала поля

Кривая экспериментальных данных имеет ту же тенденцию, что и расчетная кривая, т.е. уменьшение плавающего потенциала с увеличением расстояния до подложки. Погрешность совпадения экспериментальных и расчетных результатов составила 18%.
  1   2
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации