Введение к работе
Актуальность работы
Создание новых материалов невозможно без развития нетрадиционных технологий их получения. Актуальным современным направлением является создание нанодисперсных материалов, которые позволяют образовывать нано-размерные структуры, в том числе фрактального типа, определяющие их физико-механические свойства. Одним из новых методов получения нанодисперсных материалов является использование тлеющего разряда в химически активной среде.
Технологии тлеющего разряда применяются достаточно давно для получения антикоррозионных покрытий, создания мембран, антифрикционных и диэлектрических слоев, модификации материалов. Однако только в последнее время было обращено внимание на то, что формирование пленок в таком разряде сопровождается интенсивным процессом образования наночастиц, их переносом в разряде и вне его, с включением частиц в формирующуюся полимерную пленку.
Актуальность рассмотрения процессов зарядки наночастиц в различных областях разряда, их движения, процессов конвективного и направленного переноса в электрическом поле разряда определяется необходимостью установления закономерностей, обусловливающих физико-химические особенности формирования наноразмерных структур. Это напрямую примыкает к проблеме направленного формирования наноструктур с заданными свойствами, поскольку только с помощью изученных физических явлений можно управлять механизмами их роста и агрегации. Поэтому необходимы новые экспериментальные и теоретические подходы к изучению микро и макромеханизмов зарядки частиц и их переноса, которые бы позволили оказывать влияние на процессы образования полидисперсных частиц в тлеющем разряде.
Сегодня развитие плазмохимии связано с разрешением большого количества проблем. Мало исследованными являются вопросы влияния электрического поля на движение частиц, конвекцию и седиментацию, а также процессы зарядки генерируемых разрядом дисперсных частиц. Экспериментальное и теоретическое направление данной работы было связано с изучением и моделированием процессов зарядки, перезарядки, переноса частиц, как в катодной области разряда, так и вне его. Понимание этих проблем расширит возможности внешнего управления процессами синтеза новых материалов и поверхностей в современных производствах высокого научного уровня.
Изучение неравновесных процессов в газовом разряде имеет самостоятельную научную ценность, позволяет создавать модели, хорошо описывающие реальные плазмохимические процессы.
Цель работы - выявление основных факторов, которые влияют на физические процессы переноса и зарядки дисперсной фазы в неравновесных условиях тлеющего разряда пониженного давления экспериментальными методами и методами математического моделирования.
Для реализации этого необходимо было решить следующие основные задачи:
-
Разработка и применение экспериментальной методики лазерного зондирования и фотоэлектрической регистрации процессов эволюции дисперсной фазы в различных зонах тлеющего разряда во всем пространстве реакционной камеры.
-
Экспериментальное исследование и моделирование конвективного мас-сопереноса дисперсных частиц в объеме реактора вне разрядной зоны при давлениях от 40 до 120 Па в парах тетрафторэтилена, гексафторбензола и стирола.
-
Разработка моделей зарядки полидисперсных частиц в катодном слое тлеющего разряда переменного тока (1 кГц) при плотностях тока разряда
до 9 А/м2.
4. Создание модели потока заряженных частиц из катодной области на
электрод и возникновения на электроде «ионной тени» от микрообъектов в ка
тодном слое.
Научная новизна
Разработана методика временного многолучевого лазерного зондирования пространства разряда и объема реакционной камеры с фоторегистрацией развития дисперсной фазы.
Показана возможность использования лог-нормальной функции для описания распределения по размерам полидисперсных частиц, полученных полимеризацией в тлеющем разряде.
Создано две модели зарядки частиц в зависимости от их размеров и установлены условия адекватности их применения.
Предложен метод расчета характеристик потоков заряженных частиц в катодной области.
Впервые для условий тлеющего разряда в химически активном газе с помощью конечно-элементного расчетного комплекса Ansys получены картины конвективных потоков в объеме реактора, рассчитаны их скорости, градиенты температуры и давления.
Теоретическая и практическая значимость
Теоретическая значимость заключается в создании моделей зарядки и движения полимерных частиц в катодном слое тлеющего разряда и методов анализа конвективных потоков в объеме реактора, подтвержденных экспериментально. Полученные данные вносят вклад в понимание процессов, происходящих в приэлектродных областях при наличии дисперсной фазы, и процессов формирования полимерных пленок на поверхностях электродов.
Практическая значимость работы заключается в создании экспериментальных методик изучения потоков частиц, которые позволяют контролировать движение и осаждение дисперсной фазы во всех основных областях разряда и реактора.
Разработанные модели и методы могут использоваться для создания и оптимизации новых технологий плазмохимического синтеза при газоразрядном получении нанопорошков и нанопокрытий.
Основные положения и результаты выносимые на защиту:
-
Методика применения многолучевого лазерного зондирования и фотоэлектрической регистрации процессов эволюции дисперсной фазы, полученной в результате низкотемпературной плазмохимической полимеризации в тлеющем разряде в различных областях реактора.
-
Результаты экспериментального исследования макропотоков в реакторе методами лазерной визуализации полимерных частиц и методами осаждения дисперсной фазы на нитях-зондах. Результаты теоретического моделирования конвективных потоков методами конечно-элементного анализа. Получено удовлетворительное согласие экспериментальных и теоретических данных.
-
Результаты моделирования кинетики зарядки частиц в зависимости от их размеров с учетом различных физических механизмов в катодном слое тлеющего разряда. В результате анализа установлено преобладание ударного механизма ионной зарядки частиц.
-
Результаты моделирования движения по ли дисперсных частиц в катодной области и механизм формирования «ионной тени» на электроде с применением различных методик численного расчета. Полученные результаты устанавливают взаимосвязь между распределением частиц по массам и зарядам и профилем полимерной пленки под нитью-зондом.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и российских научно-технических конференциях: на 16 международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов». Самара 2006; на V международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» Воронеж 2008; на всероссийской конференции «Наука, технологии, инновации» Новосибирск 2009; на всероссийской конференции «Физико-химические аспекты технологии наноматериалов, их свойства и применение» Москва НИФХИ им.Карпова 2009; на шестой всероссийской научной конференции с межд. участием «Математическое моделирование и краевые задачи» Самара 2009; на 10-й международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» Самара СГОУ(Н) 2009; на международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» Самара 2009; на II международной научно-практической конференции "Современная наука: теория и практика" Ставрополь 2011; на международных научно-практических конференциях «Тенденции и инновации современной науки» Краснодар 2012, на IX международной научно-практической конференции «Актуальные научные достижения - 2013» Прага 2013.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них: 13 статей, 3 из которых в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ.
