ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР, ПОЛУЧАЕМЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВЗРЫВОМ ПРОВОДНИКА В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ

RESEARCH FINELY DISPERSE THE METAL STRUCTURES RECEIVED BY ELECTRIC EXPLOSION OF THE WIRE IN THE AIR ENVIRONMENT

Anatoly Surkaev

cand. Tech. Sci., the senior lecturer, Manager Faculty Applied physics and mathematics, Volzhsy Polytechnical Institute (branch),

Russia, Volzhsy

Volgograd State Technical University,

Rbssia, Volgograd

Sergey Zubovich

cand. Physical and mathematical sciences, the senior lecturer, Faculty Applied physics and mathematics, Volzhsy Polytechnical Institute (branch),

Russia, Volzhsy

Volgograd State Technical University,

Russia, Volgograd

Sergey Kumysh

cand. Tech. Sci., the senior lecturer, Faculty Applied physics and mathematics,

Volzhsy Polytechnical Institute (branch),

Russia, Volzhsy

Volgograd State Technical University,

Russia, Volgograd

Tatyana Suhova

cand. Physical and mathematical sciences, the senior lecturerFaculty Applied physics and mathematics, Volzhsy Polytechnical Institute (branch),

Russia, Volzhsy

Volgograd State Technical University,

Russia, Volgograd

Vasily Usachyov

manager Faculty Applied physics and mathematics Volzhsy Polytechnical Institute (branch),

Russia, Volzhsy

Volgograd State Technical University,

Russia, Volgograd

АННОТАЦИЯ

В результате проведенных экспериментов получены образцы напыляемых тонких пленок и мелкодисперсных металлических частиц, получаемых методом электрического взрыва металлического проводника в воздушной среде. Электрический взрыв медных (Cu) и нихромовых (NiCr) проводников производился в микросекундном временном диапазоне. Использование универсальной двулучевой системы Versa 3D позволяет осуществить визуализацию объекта и получить характерные размеры и химический состав получаемых мелкодисперсных структур.

ABSTRACT

As a result of the lead experiments samples drawing thin films and мелкодисперсных the metal particles received by a method of electric explosion of a metal conductor in the air environment are received. Electric explosion copper (Cu) and nickelhromocal (NiCr) conductors was made in a microsecond time range. Use of universal two-beam system Versa 3D allows to carry out visualization of object and to receive the characteristic sizes and a chemical compound received finely disperse structures.

Ключевые слова: электрический взрыв проводников, диспергирование, тонкие пленки, микрочастицы.

Keywords: electric explosion of wires, crushing, thin a film, a microparticles.

На сегодняшний день электрический взрыв проводников (ЭВП) является одним перспективных способов получения мелкодисперсных структур микронного и наноразмерного диапазона [2–6]. Дисперсность и физико-химические свойства порошков зависят от ряда причин, наиболее существенными из которых являются, в частности, плотность электромагнитной энергии, введенная в проводник, скорость протекания плотности разрядного тока, разновидность и параметры проводников, а также параметры окружающей среды и ее химическая активность.

Целью данной работы является экспериментальное исследование мелкодисперсных частиц микроразмерного диапазона, получаемых методом электрического взрыва медных (Cu) и нихромовых (NiCr) проволочек в воздушной атмосфере, при протекании микросекундного разрядного тока.

Получение микрочастиц и определение энергетических параметров электрического взрыва осуществлялись аналогично [7; 8]. Функциональная блок-схема представлена на рис. 1. Электрический взрыв медной проволочки (Cu) протекал близким к согласованному режиму с паузой тока [9], когда вся энергия конденсаторного накопителя реализуется в LC-контуре за первый полупериод. При электрическом взрыве проволочки из нихрома (NiCr), являющегося как одним из представителей тугоплавких металлов, пауза тока располагалась в первой половине полупериода, и процесс реализации энергии конденсаторного накопителя происходил за полный период.

Рисунок 1. Функциональная блок-схема экспериментальной установки. Делитель напряжения – ДН; пояс Роговского – ПР; запоминающий электронный осциллограф –ЭО; компьютер – ПК; электрически взрывающийся проводник –ЭВП

Рисунок 2. Характерные временные графики мощности для проводников: 1 – медь, 2 – нихром

Из анализа полученных осциллограмм, и следуя авторам [1], оценены основные параметры электровзрыва проводников для данных материалов. Значение введенной в проводник энергии  определяется традиционно (рис. 2); энергия сублимации согласно определению есть , где:  – удельная теплота парообразования, удельная теплота плавления, удельная теплоемкость, температура кипения и комнатная, соответственно. С другой стороны [9] энергия сублимации рассчитывается , критическую плотность тока , характерная для данного металла плотность потока энергии  (таблица 1). Расчет введенной в проводник энергии осуществлялся до возникновения дугового разряда, т. е. до момента возникновения паузы тока.

Таблица 1.

Параметры электрического взрыва проводников

Для анализа характерных размеров и химического состава получаемых мелкодисперсных частиц использовалась универсальная двулучевая система Versa 3D, позволяющая осуществлять трехмерную визуализацию микрообъектов и определять физико-химические характеристики материалов.

На микрофотографиях (рис. 3) представлены образцы напыления металлической (Cu, рис. 3а) медной пленки и нихромовой (NiCr, рис. 3b) пленки, угол наблюдения среза пленки составлял . Толщина пленки медного напыления лежит в пределах микронного диапазон , толщина пленки нихромового напыления , при этом поверхность последнего имеет более неоднородный характер, чем для медного напыления.

Рисунок 4. Микрофотографии характерных размеров металлических микроструктур: а) медь; b) нихром

Далее проведен анализ результатов исследования характерных размеров микрочастиц, получаемых методом ЭПВ для взрывающегося медного и нихромового проводника. Характерный размер высокодисперсных частиц для данных металлов, примерно равны и лежат в пределах . Это, очевидно, определяется значительной разнородностью металлов, отношением вложенной энергии в данный проводник к энергии сублимации (табл. 1), а также произвольностью выбора исследуемой площадки и т. д. В качестве примера на микрофотографиях (рис. 4) даны изображения микрочастиц металлов, выбранные произвольным образом, и показаны их размеры.

Список литературы:

1. Волков Н.Б., Майер А.Е., Седой В.С., Фенько Е.Л., Яловец А.П. // Журнал Технической Физики, 2010, Т. 80, В. 4. С. 77–80.

2. Назаренко О.Б. Электровзрывные нанопорошки: получение, свойства, применение / Под ред. А.П. Ильина. – Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2005. – 148 с.

3. Патент ПМ № 2011146515/02, 16.11.2011. Суркаев А.Л., Кульков В.Г., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности. ВолгГТУ Волгоград. Патент № 115358 U1 РФ. МПК С23С 14/32 Опубл.: 27.04.2012, Бюл. № 30.

4. Патент ПМ № 2011146566/02, 16.11.2011. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И., Канцедалов Д.А. ВолгГТУ Волгоград. Патент № 115359 U1 РФ. МПК С23 С 14/32. Устройство для электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности. / Опубл.: 27.04.2012, Бюл. № 30.

5. Суркаев А.Л. Исследование возникновения МГД-возмущений в цилиндрическом проводнике при протекании импульса разрядного тока // Письма в Журнал Технической Физики, 2014, Т. 40. В. 2. С. 23–29.

6. Суркаев А.Л. Возникновение магнитогидродинамических возмущений в металлических проводниках при протекании импульса разрядного тока // Журнал Технической Физики, 2015, Т. 85, В. 7. С. 37–44.

7. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И. // Письма в Журнал Технической Физики ПЖТФ, 2011, Т. 36, В. 23. С. 97–104.

8. Kotov Y.A. // J. Nanopart. Res. 2003. Vol. 5. P. 539.

9. Sedoi V.S. and Ivanov Y.F. // Nanotechnology. 2008. Vol. 19. A. № 145. P. 710.