Пристрій для нанесення нанопокриттів електричним вибухом провідників

Реферат: Пристрій для нанесення нанопокриттів електричним вибухом провідників містить високовольтні електроди (1) та ізолятор між ними (2), на торці якого розміщують провідник (3). Додатково містить металевий корпус виконаний із нержавіючої сталі (4) з закріпленими на ньому патрубками (5) для відкачки повітря і напуску інертного газу, а також високовольтні вводи (6) для підключення електродів до джерела живлення (7) та ємнісного накопичувача енергії (8) через електронний комутатор (9). Ізолятор (2) на торці споряджено постійним магнітом (10) та параболічною виїмкою для розміщення в ній провідника лінійної або параболічної форми. В корпусі розміщено тримач (12) для об'єктів (11) на які наносять покриття. Тримач та корпус з'єднані з клемою заземлення (13) для нейтралізації зарядів від плазмового потоку (14) на поверхні об'єкта та корпусу. UA 117051 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ НАНЕСЕННЯ НАНОПОКРИТТІВ ЕЛЕКТРИЧНИМ ВИБУХОМ ПРОВІДНИКІВ UA 117051 U UA 117051 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до обладнання в області нанотехнологій для нанесення металевих та композитних покриттів, а також створення дрібнодисперсних і наномасштабних металевих порошків і може знайти застосування в машинобудівній, приладобудівній, радіо- та електронній промисловості. Відомо, що електричним вибухом провідників називають явище вибухового руйнування металевого провідника при проходженні через нього імпульсу струму великої густини (більше 1000 А/м). Це явище супроводжується яскравим спалахом світла, різким звуком, ударною хвилею, що розповсюджується в навколишньому середовищі. Продуктами руйнування провідника є пари і дрібні частки металу, які в певних умовах можуть взаємодіяти з навколишнім середовищем, утворюючи різні хімічні сполуки (Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.). Залежно від роду газу, що оточує провідник, в спеціальних пристроях можна отримувати порошки металів, сплавів, хімічних сполук або композиційних матеріалів, а також використовувати електричний вибух провідників для отримання нанопокриттів. Нанопокриття мають товщину від 1 до 100 нанометрів хоча б одному з просторових напрямків або внутрішні структурні елементи манометрових розмірів. Під дією електричного вибуху реалізується комплекс процесів, що відбуваються при швидкому джоулівому нагріванні металевого провідника до температур, що перевищують початкову температуру випаровування металу. Ці процеси включають, як правило, фазові переходи метал-рідина-пари металу в початковій стадії, формування густої плазми при подальшому нагріванні, утворення дрібних частинок при розльоті продуктів вибуху і їх охолодженні. Причому, умови здійснення електричного вибуху суттєво різноманітні за енергетикою, набором металів, навколишнім середовищем і т.п. З аналізу технічного рівня відомий пристрій (патент України на корисну модель № 95781, МПК: С01В 31/30; В82В 3/00), який реалізовано в способі одержання нанопорошків карбідів тугоплавких металів шляхом електричного вибуху провідників у вуглеводневому середовищі у 3 вигляді пастоподібних вуглецевих матеріалів густиною від 1,1 до 1,4 кг/дм . Стенд для одержання таких нанопорошків містить генератор імпульсних струмів, керований розрядник, електророзрядну камеру з вмонтованими електродами, провідник, пристрій для подачі провідника та пастоподібних вуглецевих матеріалів. Недоліками такого пристрою є наступні: неможливість нанесення покриттів у вакуумі або керованому газовому середовищі; неможливість одержання металевих покриттів або металевих порошків, що зумовлено перетворенням матеріалу провідника в карбіди при взаємодії продуктів вибуху з пастоподібними вуглецевими матеріалами. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі за технічною суттю та результатом, що досягається, є патент РФ на винахід № 2449945, МПК: В82В 3/00; С23С 14/32, який вибрано за прототип. Пристрій для нанесення покриттів електричним вибухом фольги, що містить кільцевий і центральний коаксіальні високовольтні електроди з ізолятором між ними, виконаний у вигляді механічно міцного діелектричного циліндра з можливістю розміщення на його торці вибухової фольги і направляючого сопла, і відрізняється тим, що вибухова фольга виконана у вигляді шайби з наскрізним отвором у центрі і з концентрично розташованими армуючими кільцями круглого або прямокутного поперечного перерізу з двосторонніми фасками, виконаними як одне ціле із того ж металу, що й фольга, при цьому товщина армуючих кілець більша, ніж товщина фольги, а поверхня механічно міцного діелектричного циліндра повторює поверхню вибухової фольги. Недоліками відомого пристрою є наступні: придатність пристрою лише для вибуху фольги, а не провідників більшої товщини, чи одночасного вибуху кількох провідників, або провідників та порошкоподібних матеріалів одночасно, що зумовлено конструктивними особливостями; відсутність можливості наносити покриття в керованому газовому середовищі або у вакуумі, що зумовлено відсутністю патрубків та системи відкачування повітря, або напуску заданого газу; непридатність для одержання композиційних покриттів, наприклад на основі металевої, або полімерної матриці. Спільними ознаками та компонентами з заявленою корисною моделлю є наступні: призначення пристрою - для одержання металевих покриттів; наявність високовольтних електродів; наявність ізолятора між високовольтними електродами. 1 UA 117051 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу корисної моделі поставлено задачу створити такий пристрій для нанесення нанопокриттів електричним вибухом провідників, в якому можна було б наносити високоякісні металеві та композиційні покриття у вакуумі або керованому газовому середовищі, вибирати оптимальну форму провідників та умови їх електричного вибуху і за рахунок цього розширити сфери його застосування. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що конструктивні елементи пристрою дозволяють здійснювати електричний вибух провідника в оптимальних зовнішніх умовах та при заданих енергетичних та геометричних параметрах провідника. Суть корисної моделі пояснюється кресленням. На кресленні показано загальну схему пристрою для нанесення нанопокриттів електричним вибухом провідників: 1 - високовольтні електроди; 2 - ізолятор між електродами; 3 - вибуховий провідник; 4 - металевий корпус; 5 - патрубки для відкачки повітря і напуску інертного газу; 6 - високовольтні вводи; 7 - високовольтне джерело живлення; 8 - ємнісний накопичувач енергії; 9 - електронний комутатор; 10 - постійний магніт; 11 - об'єкт, на який наносять покриття; 12 - тримач об'єкта; 13 - клема заземлення; 14 - плазмовий потік. Пристрій для нанесення нанопокриттів електричним вибухом провідників містить високовольтні електроди (1) з ізолятором між ними (2) з можливістю розміщення на його торці вибухового провідника (3) і відрізняється тим, що містить металевий корпус (4) з патрубками (5) для відкачки повітря і напуску інертного газу та високовольтні вводи (6) для підключення електродів до високовольтного джерела живлення (7) та ємнісного накопичувача енергії (8) через електронний комутатор (9), причому ізолятор (2) на торці споряджено постійним магнітом (10) та параболічною виїмкою для розміщення в ній провідника лінійної або параболічної форми, а пристрій містить додатково тримач (12) для об'єктів (11), на які наносять покриття і який розміщено на віддалі, більшій від фокусної віддалі параболічної виїмки з провідником, причому тримач та корпус обладнані клемою заземлення (13) для нейтралізації зарядів від плазмового потоку (14) на поверхні об'єкта, на який наносять покриття. Для одержання більш однорідного за структурою покриття металеві провідники для їх нанесення попередньо відпалюють. Суттєвими ознаками, які впливають на зазначений результат, є зміна конструктивного виконання пристрою. Зокрема, наявність металевого корпусу з патрубками для відкачки повітря і напуску інертного газу дозволяє регулювати умови проведення електричного вибуху провідників і, як наслідок, наносити металеві або композиційні покриття з підвищеними властивостями. Наявність постійного магніту, магнітне поле якого направлено вздовж осі провідника і протидіє виникненню магнітогідродинамічних нестійкостей в розплавленому провіднику, що робить покриття більш однорідним. Наявність на діелектрику, який розділяє електроди, параболічної виїмки для розміщення в ній провідника параболічної форми дозволяє при протіканні вибуху направити потоки плазми та крапельної фракції один на одний, що забезпечує подрібнення крапель і, як наслідок, дозволяє створити більш однорідне покриття. Наявність клеми заземлення, з якою з'єднано корпус та тримач об'єктів, забезпечує нейтралізацію зарядів від плазмового потоку на поверхні об'єкта, на який наносять покриття і, як наслідок, одержувати якісні покриття. Наявність звукоізолюючої камери, розміщеної ззовні металевого корпусу, дозволяє зменшити інтенсивність звукових хвиль в просторі навколо пристрою під час електричного вибуху провідника. Робота пристрою здійснюється наступним чином. У металевому корпусі (4) з високовольтними електродами (1) та ізолятором між ними (2) розміщують на його торці над постійним магнітом (10) провідник (3), який буде вибухати. У тримач (12) вміщують об'єкт (11) для нанесення нанопокриття. Тримач та металевий корпус заземлюють через клему (13) для нейтралізації зарядів від плазмового потоку (14). Через патрубки (5) відкачують повітря та напускають інертний газ. Підключають високовольтні вводи (6) до високовольтного джерела живлення (7) та ємнісного накопичувача енергії (8) через електронний комутатор (9). 2 UA 117051 U 5 10 15 20 25 30 При замиканні електричного кола електронним комутатором струм спочатку визначається хвильовим опором контуру, так як опір провідника відносно малий. Під дією струму провідник нагрівається, плавиться і далі нагрівається в рідкому стані, починає бурхливо розширюватися, втрачає металеву провідність, його опір швидко зростає на кілька порядків, а струм в електричному колі зменшується. У цей час струм в електричному колі практично припиняється і настає пауза струму. Напруга конденсатора під час паузи прикладена до продуктів вибуху, які розширюються, зменшуючи свою густину з плином часу. Потім відбувається пробій продуктів вибуху і настає дугова стадія або вторинний розряд. У процесі електричного вибуху провідників протікають окремі взаємопов'язані стадії і процеси: джоулів нагрів провідника; термоелектронна емісія з поверхні провідника; створення провідником магнітного поля; випромінювання в широкому діапазоні електромагнітних хвиль; плавлення провідника; свічення потоків частинок; випаровування, розшарування, плазмоутворення; вибух, генерація ударних хвиль; розлітання компонентів вибуху провідника та їх осадження на об'єкті для нанесення нанопокриття. охолодження продуктів електричного вибуху та утворення нанопокриття на заданому об'єкті. При цьому управління електровибухом провідника здійснюється підбором потужності електророзрядної установки, застосуванням провідників різної товщини та форми, зміною тиску та складу середовища навколо провідника. Приклад використання пристрою. У металевому корпусі, між електродами розміщують провідник із нікелю товщиною 0,1 мм, який було попередньо відпалено. В тримачі розміщують тонкий циліндричний об'єкт діаметром 50 мм для нанесення нанопокриттів - полімер типу фторопласт-2. Відкачують в корпусі повітря та напускають газоподібний азот. Підключають високовольтні вводи до високовольтного джерела живлення та ємнісного накопичувача енергії. Вмикають джерело живлення та накопичують енергію 100 кДж. Через електронний комутатор замикають електричне коло. Провідник вибухає. Продукти вибуху осідають на об'єкті, на який наносять нанопокриття. Відкачують корпус, видаляючи залишки продуктів вибуху. Відкривають корпус та виймають об'єкт з нанопокриттям товщиною 90 нанометрів. Таким чином, нанопокриття, нанесені з використанням цього пристрою, мають нанорозмірні значення товщини, малу кількість оксидів, низькі значеннями параметрів шорсткості поверхні. 35 40 Джерела інформації: 1. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с. 2. Патент України на корисну модель № 95781. 3. Патент РФ на винахід № 2449945. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 1. Пристрій для нанесення нанопокриттів електричним вибухом провідників, який містить високовольтні електроди (1) та ізолятор між ними (2), на торці якого розміщують провідник (3), який відрізняється тим, що містить металевий корпус, виконаний із нержавіючої сталі (4) з закріпленими на ньому патрубками (5) для відкачки повітря і напуску інертного газу, а також високовольтні вводи (6) для підключення електродів до джерела живлення (7) та ємнісного накопичувача енергії (8) через електронний комутатор (9), причому ізолятор (2) на торці споряджено постійним магнітом (10) та параболічною виїмкою для розміщення в ній провідника лінійної або параболічної форми, а в корпусі розміщено тримач (12) для об'єктів (11) на які наносять покриття, причому тримач та корпус з'єднані з клемою заземлення (13) для нейтралізації зарядів від плазмового потоку (14) на поверхні об'єкта та корпусу. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що металевий корпус обладнано ззовні звукоізолюючою камерою. 3 UA 117051 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4