Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський icon

Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський




Скачати 110.82 Kb.
НазваУдк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський
Дата16.08.2012
Розмір110.82 Kb.
ТипДокументи



I SSN 1813–1166. Вісник НАУ. 2005. №1

УДК 533.6011.8

С.В. Головятинський

ДИНАМІЧНА плазмова ОБРОБКА І НЕСТАЦІОНАРНЕ НАГРІВАННЯ ПОВЕРХНІ
ПРИ ВЗАЄМОДІЇ З ІМПУЛЬСНОЮ АТМОСФЕРНОЮ ПЛАЗМОЮ

Інститут пожежної безпеки (м.Черкаси), e-mail: akinshin@uch.net

Розглянуто принцип дії пристрою, що генерує імпульсний високочастотний ВЧ-розряд, який дозволяє створювати при атмосферному тиску плазму з формою довгої “струни”. Наведено рекомендації щодо використання і дослідження даного атмосферного плазмового процесу для максимальної активації та очистки діелектричних полімерних поверхонь.

Вступ


Існує безліч типів плазми, що розрізняються за діапазонами використовуваних частот, потужностей, струмів, тисків.

Ентальпія вакуумної плазми і густина потоку часток відносно низькі, тому плазмохімічні реакції не інтенсивні і, як результат, тривалість процесу вакуумної обробки має бути досить великою, щоб бути ефективною (звичайно хвилини, десятки хвилин).

При атмосферному тиску для одержання не-рівноважної плазми необхідні короткі імпульси чи наявність великих градієнтів температури, концентрації і швидкості мас-потоків (у межових шарах).

Електронне бомбардування обмежено через відносно малу довжину вільного пробігу, але плазмохімічні реакції (у плазмі і з поверхнею) і ультрафіолетове випромінювання інтенсивні. Як наслідок, тривалість обробки поверхні може бути малою (десятки мілісекунд) [1–3].

Іншою перевагою атмосферної плазми є відносна легкість інсталяції й адаптації до реальних промислових застосувань [1].

Висока концентрація активних часток у дуговій плазмі атмосферного тиску супроводжується сильним тепловим потоком. Могутнє ультра-фіолетове випромінювання здатне викликати деградацію полімерів на певній товщині поверхні. Потрібно забезпечити мінімально необхідний час взаємодії плазми з оброблюваною поверхнею. Можливі два способи вирішення цієї проблеми: висока швидкість переміщення поверхні щодо плазми [4] і створення імпульсної плазми з ко-роткою тривалістю.
^

Постановка завдання


Одним із пристроїв, що реалізують ці можливості, є генератор «плазмової струни» [5] на основі імпульсного високовольтного високочастотного газового розряду атмосферного тиску. Цей розряд створюється вздовж оброблюваного діелектричного матеріалу між двома електродами і стабілізується в просторі бічним електродом, покритим ізоляційним шаром. Змінювана товщина цього шару забезпечує рівномірність густини струмів зсуву на поверхні по довжині розряду. Розподілений потік газу (аргону) вводиться поперек газового розряду в напрямку оброблюваної поверхні. Газовий розряд має такі характеристики: частота – 13,56 МГц; струм – у діапазоні 300 мА – 2 А; потік аргону – 1–5 л/хв; довжина розряду – 40 см при імпульсній напрузі до 15 кВ; тривалість імпульсів напруги – 0,25 – 1 мс.

Основна увага зверталася на застосування і дослідження даного атмосферного плазмового процесу для максимально можливої швидкої активації й очищення діелектричних поверхонь, таких як полімери, зокрема, поліетилен і поліпропілен.

Швидкість переміщення оброблюваної по-верхні відносно «плазмової струни» знаходилася в діапазоні 0,1– 1,0 мс. Час взаємодії плазми з по-верхнею становив 1–20 мс. Взаємодія поверхні з активним газом, що виходить із зони розряду, підсилювала ефект плазмової обробки.

Загалом, інтенсивність процесів на поверхні залежить від [4]:

– ступеня реакції поверхні (швидкості процесів поверхневої рекомбінації);

–густини потоку активних часток, які досягають оброблюваної поверхні (транспортуванням, дифузією часток до поверхні), (– густина кількості активних часток, які досягають поверхні, – їхня швидкість у напрямку на поверхню);

– густини потоку частинок, які прореагували з поверхнею і віддаляються від неї, , (де і – це відповідні параметри частинок, які прореагували).

У більшості випадків ступінь реакції поверхні велика [6] і факторами, які обмежують
збільшення інтенсивності процесу, є і .

З розгляду балансу не є і . З розгляду балансу не може бути більше, ніж . Інакше, акумуляція залишкових продуктів призведе до екранування поверхні і зупинки обробки.

Отже, основним фактором, що обмежує інтенсивність обробки, залишається (якщо для евакуації частинок, які прореагували, прийняті спеціальні заходи).
^

Результати дослідження


Для збільшення необхідно введення енергії пропорційної . Значне збільшення у більшості випадків не рекомендується, тому що високоенергетичні частки (більше 10еВ) [6] руйнують структуру поверхні. Останнім параметром, що може збільшити інтенсифікацію по-верхні, є , тобто концентрація активних частинок, загальна густина і тиск плазми. Атмосферний тиск є найбільш природним і відповідно – найлегше технічно реалізованим.

Основним обмеженням збільшення щільності є той факт, що дифузійна довжина активованих часток (тобто довжина пробігу активованих часток від місця активації до дезактивації) зменшується як . Необхідно, щоб характеристичний параметр процесу/ пристрою , відстань, що відокремлює оброблювану поверхню від «місця народження» активованих часток, не повинна перевищувати , інакше енергія активації, запасена в активованих частках, буде загублена до того, як частка досягне оброблюваної поверхні.

Ця нерівність



є необхідною умовою нерівноважності для будь-яких плазмохімічних процесів, включаючи атмосферний тиск.

Якщо у вакуумній плазмі довжини вільних пробігів активованих часток звичайно більші ніж характерні розміри пристроїв, то при атмосферному тиску процеси на поверхні визначаються дифузією активованих часток на поверхню. Це означає, що активована частка повинна випробувати пружні зіткнення з навколишніми частками перед досягненням оброблюваної поверхні. Ці зіткнення приводять до втрат кінетичної енергії до рівня, що збуджені частки можуть мати кінетичну енергію, яка відповідає температурі поверхні Т (~ 0,03 еВ при Т=300К). Це важлива перевага плазмових технологій при атмосферному тискові – відсутність радіаційних пошкоджень.

Величина щільності потоку дифузії Ф визначається законом Фіка. Для забезпечення стаціонарності (чи квазістаціонарності) процесу обробки поверхні, необхідно організувати уздовж оброблюваної поверхні евакуацію продуктів реакції. Отже, процес обробки поверхні повинен відбуватися при гідродинамічному витіканні плазми уздовж оброблюваної поверхні (відносний рух). У цьому випадку градієнт концентрації активних частинок дорівнює , (де – кон-центрація активних часток на зовнішній межі примежового шару; товщина дифузійного примежового шару).

Таким чином, приблизно маємо [7]:

(1)

де – відповідно середня теплова швидкість та ефективний переріз взаємодії активних часток у потоці плазми.

Отримано відомий результат, відповідно до якого густина потоку дифузії не залежить від величини концентрації часток, що дифундують.

З виразу (1) випливає, що збільшити дифузійний потік до оброблюваної поверхні, і тим самим підвищити ефективність її обробки, можна лише, зменшуючи товщину дифузійного примежового шару . У конкретних гідродинамічних ситуаціях це досягається по-різному. Наприклад,
збільшуючи динамічний напір потоку плазми, що набігає. Однак при зменшенні зменшується неминуче і товщина термічного примежового шару (оскільки ~) і, отже, збільшується густина теплового потоку до оброблюваної поверхні

, (2)

де – середній коефіцієнт теплопровідності пристіночної плазми; – температура потоку плазми, що набігає.

Таким чином, зі збільшенням густини плазми підсилюється нагрівання оброблюваного виробу.

Стаціонарне охолодження оброблюваної поверхні часто практично неможливе і приходиться звертатись до режиму динамічної плазмової обробки (ДПО) [7]. Можливі два різновиди режиму ДПО і їхня комбінація. У першому випадку використовується імпульсне джерело плазми із заданими тривалістю імпульсів і часом між ними. У другому – рухається ділянка оброблюваної поверхні щодо стаціонарної плазми.

У цих випадках нагрівання оброблюваного виробу відбувається в режимі нестаціонарної теплопровідності. При цьому температура оброблюваної поверхні залежить від часу. Для кожної конфігурації оброблюваного виробу і параметрів процесу існує визначене співвідношення між
максимально припустимою температурою оброблюваного матеріалу Тм, тривалістю контакту оброблюваної ділянки з плазмою , густиною теплового потоку , теплопровідністю і температуропровідністю матеріалу. Наприклад, для випадку напівнескінченного тіла [8]:

. (3)

Для випадку обробки полімерних матеріалів, що мають дуже погану теплопровідність, цей фактор відіграє дуже важливу роль для запобігання тепловим ушкодженням поверхні.

Імпульсний режим також значно збільшує нерівноважність плазми [9–12]. Вихід активних часток збільшується при тій самій середній потужності, що вводиться, наприклад, в умовах експерименту з пульсуючим діелектричним бар’єрним розрядом атмосферного тиску, описаним у праці [12], виробництво озону зростає в чотири рази при переході з перемінної напруги на пульсуючу. Відповідно, ідентичний результат взаємодії плазми з поверхнею може бути досягнутий при імпульсному режимі з меншим введенням енергії і меншим потоком тепла на поверхню, що особливо важливо для багатьох полімерів та інших термочутливих матеріалів.

Тепловий потік складається з теплообміну поверхні діелектрика з плазмою, об’ємного високочастотного нагрівання діелектрика та інфрачервоного випромінювання плазми. Інтенсивність інфрачервоного випромінювання описуваних газових розрядів, судячи з обмірюваних спектрів, низька, а час експозиції не перевищує 2 с. Оцінимо ВЧ-нагрівання:

;

;

,

де p – питома потужність внутрішніх джерел
тепла; f – частота ЕМ-поля; – абсолютна діелектрична проникність вакууму; x – координата; – відносна діелектрична проникність; , – кут і фактор діелектричних утрат; ^ Е –напруженість елект-ричного поля; Е0 – напруженість електричного поля на поверхні;  – коефіцієнт загасання хвилі.

Загасанням хвилі можна знехтувати, оскільки розглядається нагрівання поверхневого шару. Нагрівання ПЕТ-полімеру при напруженості електричного поля 10кВ/см, частоті 13,56 МГц і часу впливу 10 мс не перевищує 0,5°. Для поліпропілену це нагрівання буде на два порядки менше, тому що діелектричні втрати низькі. Отже оцінюючи тепловий потік, можна не враховувати ефект ВЧ-нагрівання.

За наявності електричного струму тепловий потік з боку плазми (випадок плазмової струни) можна описати в такий спосіб [14]:

(4)

де je, ji – електронна й іонна густина струму; w – робота виходу; K, Kа, Kе – загальна теплопровідність важких часток, електронів, відповідно; e – заряд електрона;  – коефіцієнт термодифузії;
^ Xi – потенціал іонізації;  – електрична провідність; Те , Та – температура електронів і атомів.

Перші два члени виразу (4) являють собою електронну конденсацію, ентальпію і термодифузію, останній член зв’язаний з потоком іонів, включаючи рекомбінацію. Члени, що залишилися, – це важкі частки й електронна провідність.

У випадку конвективної теплопередачі плазма створює тепловий потік:

;

,

де Ts, Tp температура плазми, атомів, електронів, частинок поверхні; – числа Рейнольдса і Прандтля.

Зробити ці розрахунки через дефіцит відомих коефіцієнтів дуже складно, але можна провести оцінювання виразів (1)–(3), якщо відомі елект-ричні параметри газових розрядів, результати виміру температурних полів поверхні після взаємодії з плазмою і середньовагової температури і потоку струменя плазми. Вони показують, що не більше 4% від усередненої потужності вкладеної в газовий розряд типу “плазмова струна” йде на нагрівання оброблюваної поверхні в режимі динамічної плазмової обробки.

Зменшення нагрівання оброблюваної поверхні і збільшення ефективності її обробки можна домогтися шляхом скорочення тривалості імпульсів, що призводить до збільшення нерівномірності плазми і поширення тепла в ударно-хвильовому вигляді.

Частота проходження імпульсів становила близько 100 кГц.

При цих параметрах можливе одержання високої концентрації активних часток у плазмі з використанням середньої потужності до 200 разів меншої порівняно з випадком безупинного газового розряду.

Висновки


Розроблено експериментальну установку, яка генерує імпульсний високовольтний ВЧ-розряд, що дозволяє створювати при атмосферному тиску плазму з формою довгої “струни”. Велика густина активних часток плазми атмосферного тиску обумовлює високоефективну обробку при швидкостях поширення тепла в ударно-хвилоьовому вигляді. У працях 13–15 описуються експериментальні результати і математичне моделювання відносного переміщення плазма/поверхня до 1 м/с у випадку активації поверхні полімерів. Сильний тепловий потік з боку плазми на поверхню, що нагрівається, регулюється динамічним способом обробки, швидкістю переміщення зразків і керуванням імпульсами високовольтної напруги.

Проведено чисельну оцінку факторів нагрівання поверхні при взаємодії з плазмою. Обговорено способи зменшення величини примежового шару, збільшення ступеня нерівновісності плазми і збільшення концентрації активних часток плазми. Для подальших досліджень у даному напрямку є перспективним перехід до більш короткотермінових імпульсів плазми.
^

Список літератури


1. The Аtmospheric-рressure plasma jet / A review and comparison to other plasma sources // A. Schultz
a. о. IEEE. 1998. – Vol. 26, №. 6.

2. Chrysostomou D., Goloviatinskii S. AVS 49th International Symposium. November, 2002, Denver, USA. – Р. 131–136.

3. Plasma sorgt für festen Verbund / S. Amesöder
a. о. // Kunststoffe. – 2003. – Р. 124–129.

4. Koulik P. CIP 97. – 1997.

5. Goloviatinskii S., Begounov S. WO9946964. – 2002.

6. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плаз-менная обработка материалов. – М.: Радио и связь, 1986.

7. Кулик П.П. Динамическая плазменная обработка твердого тела // Плазмохимия-87. – С. 92–96.

8. Вавилов В.С. Действие излучения на полупроводники. – М.: ФМ,1963. – 264 с.

9. Eliasson B., Kogelschatz U. Modeling and applications of silent discharge plasmas // IEEE Trans. Plasma Sci., – 1991. – Vol. 19. – P. 309–323. – Apr.

10. Buntat Z., Harry J.E., Smith I.R. Application of dimensional analysis to ozone production by pulsed streamer discharge in oxygen // J. Phys. D: App. Phys. – 2003. – July. – 3613. – P. 1553–1557.

11. Buntat Z., Harry J.E., Smith I.R. Modelling the relationship between ozone production by pulsed streamer discharge in oxygen and the principal parameters involved // IEEE Symposium on Pulsed Power, Loughborough, UK. – 2003. – Sept. –
P. 1/1–1/4.

12. Stevenson P., Gregory K., Cliffe R.J., Smith, I.R. A novel surface-discharge pulsed plasma gun // Plasma Devices & Operations. – 2002. – P. 203–214.

13. Joachim Heberlein. New approaches in thermal plasma technology // Pure Appl. Chem. – 2002. – Vol. 74, №. 3. – P. 327–335.

14. Ken Okazaki and Tomohiro Nozaki. Ultrashort pulsed barrier discharges and applications // Pure Appl. Chem. – 2002. – Vol. 74. – №. 3. – P. 447–452.

15. Analysis of the power budget and stability of high  pressure nonequilibrium air plasmas // J.Rich, a.o. Adamovich,– 31st AIAA. – 2000.

Стаття надійшла до редакції 07.02.05.

С.В. Головятинский

Динамическая плазменная обработка и нестационарный нагрев поверхности при взаимодействии с импульсной атмосферной плазмой

Рассмотрен принцип действия устройства, генерирующего импульсный высокочастотный
разряд, позволяющий создавать при атмосферном давлении плазму с формой длинной «струны». Приведены рекомендации по использованию и исследованию данного атмосферного плазменного процесса для максимальной активации и очистки диэлектрических полимерных поверхностей.

S.V. Golovіatinskiі

Dynamic plasma processing and non-stationary heating of surface at interaction with pulse atmospheric plasma

The principle of action of the device generating the pulse high-frequency category, allowing is considered to create at atmospheric pressure plasma with the form of long "string". The recommendations for use and research of the given atmospheric plasma process for the maximal activation and clearing of dielectric polymeric surfaces are given.

Схожі:

Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconДокументи
1. /ISRU_Bilety_MS.doc
2. /ISRU_Cryterii_MS.doc
Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconКод модуля: вм 6011 С01 Тип модуля: обов‘язковий Семестр
Числові та функціональні ряди. Диференціальні рівняння першого та вищих порядків. Лінійні однорідні диференціальні рівняння другого...
Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconСистематизація документів за допомогою електронного формату удк
Анотація: Представлено алгоритм роботи з електронним форматом удк для систематизації документів
Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconУдк 323 (47-57)(082. 1) Удк 94(47)(082. 1) А. Ф. Степанов казанское общество «Мемориал»
Большого террора, изложенные в работах сторонников «ревизионистской школы». Выделим основные характеристики Большого террора, рассматривая...
Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconУдк 629 051 Zhykharev A. S

Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconУдк в. П. Іванчук психологічна готовність до здійснення

Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconУдк в. П. Іванчук психологічна готовність до здійснення

Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconУдк 808. 51«652»: 130. 2 И. А. Пантелеева

Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconМ. Полтава, 27 вересня 2012 р. Удк 66. 074. 1

Удк 533. 6011. 8 С. В. Головятинський iconВимоги до оформлення наукових статей студентів удк піб, гр

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи