Исследование плазменно-электролитных процессов формирования микрорельефа поверхности металлов - Автореферат

Интерес представляет формирование микрорельефа поверхности металлов с помощью плазменно-электролитной обработки, заключающегося в совмещении двух процессов: эрозионного разрушения металла и его анодного растворения. Работа направлена на исследование плазменно-электролитных процессов и решение актуальной проблемы создания нового метода формирования микрорельефа поверхности металлов и выполнена в рамках НИР № 1.26.11 «Физические основы плазменно-электролитного процесса», проводимого КФУ по заданию Министерства образования и науки, а также при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программ СТАРТ 1, гос. контракт №5021р/7400 "Разработка оборудования нанесения микродефектов на поверхность медицинских игл, предназначенных для ультразвуковой визуализации" и СТАРТ 2 гос. контракт №8024р/7400 «Исследование методов контроля и разработка системы контроля качества поверхности медицинских игл при микроплазменной обработке». Для исследования параметров разряда с электролитическим катодом и определения условий возникновения анодных микроразрядов проводились измерения напряжения и тока разряда, температуры электролита и электрода, распределения потенциала в зоне разряда и в толще электролита, кислотности электролита; проводилась скоростная видеосъемка образования пузырьков в межэлектродном пространстве. Во второй главе представлено описание экспериментальных установок и аппаратуры для исследования характеристик разряда с электролитическим катодом при плазменно-электролитной обработке. Для осциллограммы на рисунке 2а одна клетка соответствует по времени 5 мс., по напряжению 50 В, по току 20 А, на рисунке 2б: время - 10 мс, напряжение - 2 В, ток - 0.5А.Установлены условия протекания различных физико-химических процессов для разряда в электролите. Выявлено, что плазменно-электролитный процесс состоит: области протекания электрохимических реакций, переходной области и области, в которой происходит горение газового разряда в паровоздушной оболочке. Выявлено, что в переходной области двухполупериодного режима выпрямления наблюдается горение анодных микроразрядов, а переходная область «сглаженного» режима представляет собой образование и рост газового пузыря вокруг анода, затем его всплывание и установление пленочного кипения. Выявлены условия зажигания разряда и образования парогазовой оболочки для растворов с различной кислотностью. Начало устойчивого горения разрядов с повышением кислотности электролита увеличивается.

1. Определены характеристики плазменно-электролитных процессов формирования микрорельефа.

2. Установлены условия протекания различных физико-химических процессов для разряда в электролите. Выявлено, что плазменно-электролитный процесс состоит: области протекания электрохимических реакций, переходной области и области, в которой происходит горение газового разряда в паровоздушной оболочке.

3. Впервые обнаружены анодные микроразряды в диапазоне напряжений 40-100 В. Выявлено, что в переходной области двухполупериодного режима выпрямления наблюдается горение анодных микроразрядов, а переходная область «сглаженного» режима представляет собой образование и рост газового пузыря вокруг анода, затем его всплывание и установление пленочного кипения.

4. Выявлены условия зажигания разряда и образования парогазовой оболочки для растворов с различной кислотностью. Установлены границы протекания различных физических воздействий. А именно область классического электролиза от 0 до 65 В, область неустойчивого горения газового разряда от 65 до 130 В, область устойчивого горения газового разряда от 130 В и выше. Начало устойчивого горения разрядов с повышением кислотности электролита увеличивается. Для водных растворов оснований составляет 130 В, для водных растворов солей 140 В, для кислот 180 В.

5. Определено влияние кислотности электролитического катода на напряжение зажигания разряда. Было установлено, что с увеличением PH наблюдается уменьшение напряжения зажигания разряда.

6. Показано, что увеличение концентрации электролита влияет на анодное растворение металла и на возникновение анодных микроразрядов, но не влияет на горение разряда в парогазовом слое. Таким образом горение разряда не зависит от концентрации электролита, а определяется лишь его природой, в которой ключевую роль играет гидрооксид-ион.

7. Установлена механика воздействия плазменных потоков электрических разрядов с жидким электролитическим катодом на поверхность металлов. Эрозионное разрушение происходит в результате горения большого количества самостоятельных микроразрядов между металлическим анодом и электролитическим катодом в газовых пузырьках, образующихся на поверхности электрода в разные моменты времени и развивающихся параллельно друг другу.

8. Разработана технология плазменно-электролитного формирования микрорельефа поверхности, в частности медицинских игл, используемых в УЗИ-хирургии.

Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК: 1. Кашапов Р.Н. Исследование плазменно-электролитного процесса обработки / Р.Н. Кашапов // Перспективные материалы - 2008. - №5 - С. 466-469.

2. Кашапов Р.Н. Плазменно-электролитная обработка поверхности металлов. / Р.Н. Кашапов // Физика и химия обработки материалов - 2010. - № 5 - С. 50-56.

3. Кашапов Р.Н. Исследование влияния плазменно-электролитной обработки на поверхность аустенитных хромоникелевых сталей. / Р.Н. Кашапов // Вестник Казанского технологического университета - 2011. - №4 - С. 149-154.

Патент: 4. Пат. 2344774 Российская федерация. Медицинская дренажная игла ультразвуковой визуализации / Кашапов Р.Н.: заявитель и патентообладатель ООО «Медфизприбор»: опубликовании 7.01.2009г.

Работы опубликованные в других изданиях

5. Гайсин, А.Ф. Основные физико-химические процессы в плазменно-электролитных разрядах. / А.Ф. Гайсин, Р.Н. Кашапов // 4-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваново, Россия - 2005. - С. 99-102.

6. Кашапов, Р.Н. Плазменно-электролитная обработка медицинских игл. / Р.Н. Кашапов // Материалы конференции “Индустрия наносистем и материалы”, МИЭТ, Москва - 2005 - С. 82-86.

7. Кашапов, Р.Н. Физические основы плазменно-электролитной обработки металлов. / Р.Н. Кашапов // Научные труды молодых исследователей программы «ШАГ В БУДУЩЕЕ», Т. 8. Профессионал 2005. - С.43-46.

8. Kashapov, R.N. Plasma-electrolyte processing of metals./ R.N. Kashapov // Summaries of student topics. London international youth science forum. London - 2005. - Р. 11.

9. Кашапов, Р.Н. Возникновение анодных микроразрядов в электролите. / Р.Н. Кашапов // Сборник тезисов ВНКСФ-12, 23-29 марта., Новосибирск, Россия.

10. Кашапов, Р.Н. Возникновение анодных микроразрядов в конденсированной среде/ Р.Н. Кашапов // Сборник работ 4-й курчатовской молодежной научной школы, Москва. - 2006. - С. 64.

11. Кашапов, Р.Н. Микроплазменная обработка медицинских игл / Р.Н. Кашапов // Научная сессия КГТУ, Казань - 2007. - С. 273.

12. Кашапов, Р.Н. Исследование влияния плазменно-электролитного разряда на поверхность металлов / Р.Н. Кашапов // Научная сессия КГТУ, Казань - 2008. - С. 279.

13. Кашапов, Р.Н. Исследование плазменно-электролитного разряда / Р.Н. Кашапов // XXXVI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. 9-13 февраля 2009. - С. 364.

14. Кашапов, Р.Н. Исследование ультразвуковой визуализации медицинских игл, после микроплазменной обработки / Р.Н. Кашапов // Научная сессия КГТУ, Казань - 2009. - С. 278.

15. Кашапов, Р.Н. Применение многоканальной системы сбора данных для микроплазменной обработки медицинских игл / Р.Н. Кашапов // Научная сессия КГТУ, Казань - 2009. - С. 278.

16. Кашапов, Р.Н. Плазменно-электролитный процесс обработки / Р.Н. Кашапов // Научная сессия КГТУ, Казань - 2009. - С. 278.

17. Кашапов, Р.Н. Плазменно-электролитная обработка медицинских игл используемых в УЗИ-хирургии VI Международная конференция Физика плазмы и плазменные технологии Минск, Беларусь, 28 сентября - 2 октября 2009. - С. 213-217.

18. Кашапов, Р.Н. Микроплазменная обработка медицинских дренажных игл для УЗИ-хирургии / Р.Н. Кашапов //Сборник работ победителей конкурса студентов вузов по направлениям: лазерные и плазменные технологии, квантовая и атомная оптика, нанофотоника, Набережные Челны - 2009. - С. 39-49.

19. Кашапов, Р.Н. Условия формирования микроструктуры поверхности плазменно-электролитным разрядом / Р.Н. Кашапов // Сборник статей VI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов, ИМЕТ РАН, Москва - 2009. С. - 507-510.

20. Кашапов, Р.Н. Плазменно-электролитный разряд в процессах обработки поверхности / Р.Н. Кашапов // Сборник статей научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий», Казань - 2010. С. - 187-195.

21. Кашапов, Р.Н. Исследование плазменно-электролитных разрядов в процессах обработки поверхности / Р.Н. Кашапов // XXXVII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. 8-12 февраля 2010. - С. 316.

22. Кашапов, Р.Н. Исследование возникновения анодных микроразрядов в электролите / Р.Н. Кашапов // Научная сессия КГТУ, Казань - 2010. - С. 253.

23. Кашапов, Р.Н. Опытно-промышленная установка микроплазменной обработки медицинских игл / Р.Н. Кашапов // Научная сессия КГТУ, Казань - 2010. - С. 253.

24. Кашапов, Р.Н. Условия зажигания газового разряда в электролите / Р.Н. Кашапов // Сборник тезисов итоговой научно-образовательной конференции студентов. КГУ, Казань - 2010. - С. 45.

25. Кашапов, Р.Н. Плазменно-электролитное формирование микроструктуры поверхности стали / Р.Н. Кашапов // XXXVIII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. 14-18 февраля 2010. - С. .

26. Кашапов, Р.Н. О влиянии коэффициента пульсации напряжения на плазменно-электролитный процесс / Р.Н. Кашапов // Сборник статей II Республиканской научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий», Казань - 2011. С. - 175-183.

Размещено на .ru