Автореферат (1025197), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Математическая модель процессов тепломассообмена между каплей иплазмой вакуумно-дугового разряда.8. Результаты расчёта динамики изменения температуры и диаметра капли вдуговом разряде для различных материалов (титан, алюминий, медь,кремний).Соответствие паспорту специальности.Соответствиедиссертацииформулеспециальности01.04.14«Теплофизика и теоретическая теплотехника» (технические науки):диссертационная работа посвящена исследованию процессов переноса теплаи массы в плазме вакуумно-дугового разряда и выявлению механизмовпереноса массы и энергии при излучении, сложном теплообмене и физикохимических превращениях с целью определения влияния арочногомагнитного поля на характеристики генерации капель в катодном пятне и ихиспарение в плазме вакуумно-дугового разряда.Отражённые в диссертации научные положения соответствуют областиисследования специальности 01.04.14 «Теплофизика и теоретическаятеплотехника».Структура и объём работыДиссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и спискалитературы.

Диссертационная работа изложена на 187 страницах, содержит113 иллюстраций и 21 таблицу. Библиография включает 176 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность работы, сформулированыосновные цели и задачи исследования, сформулированы положения,определяющие новизну и практическую ценность полученных результатов, атакже положения, выносимые на защиту.В первой главе дано краткое описание вакуумно-дугового разряда иметода вакуумно-дугового испарения. Описан основной недостаток метода –наличие в продуктах эрозии капель материала катода (Рисунок 1).

Сделанобзор наиболее распространённых установок вакуумно-дугового испарения.Представлен обзор предполагаемых механизмов эрозии катода в катодномпятне вакуумной дуги. Под процессом эрозии катода вакуумно-дуговогоиспарителя понимается комплексный процесс уноса материала из катодного5пятна, в результате которого образуются пары, капли и плазма материалакатода. Рассмотрены механизмы образования капель в катодном пятне ираспространениякапельвпространстве.Приведеныосновныехарактеристики продуктов эрозии катода: нейтрального пара, ионной фазы,электронов и капель.

Приведён обзор результатов измерений размеровкапель, плотности потока капельной фазы и скорости движения капель.абРисунок 1.Капли материала катода в конденсате на подложкеа) сферичесие капли (титан); б) плоские капли (медь)Описаны различные методы снижения массовой доли капельной фазы:сепараторы капель различной конструкции и импульсный режим работыиспарителя. Оценены их достоинства и недостатки.

Описаны особенностиприменения арочного магнитного поля для управления движением катодныхпятен, и показано, что использование арочного магнитного поля приводит кснижению количества капель в конденсатах. Отмечено, что в настоящеевремя недостаточно представлены или полностью отсутствуют какие-либоданные по влиянию арочного магнитного поля на скорость эрозии катода ина массовую долю капель в продуктах эрозии катода.Рассмотрены вопросы испарения капель в плазме дугового разряда, атакже описаны различные модели тепломассообмена между капелей иплазмой вакуумно-дугового разряда. Показано, что в зависимости от моделитепломассообмена предсказывается как полное испарение капель в плазмевакуумно-дугового разряда, так и невозможность их испарения. Приведеныданные, свидетельствующие о том, что при увеличении концентрации итемпературы электронов возможно испарение значительной части капель.Во второй главе приведено описание экспериментального вакуумногостенда и экспериментального дугового испарителя с арочным магнитнымполем (Рисунок 2).

Вакуумно-дуговой испаритель состоит изводоохлаждаемого катода, анода, нейтральной вставки, центральной ипериферийной магнитных катушек. Магнитное поле арочной конфигурациина поверхности катода создавалось центральной магнитной катушкой. Приизменении тока в периферийной катушке изменялась топология магнитного6поля и, соответственно, изменялось положение центра арки магнитного поля.Типичный ток разряда испарителя от 80 до 140 А при напряжении от 18 до25 В, типичные значения индукции арочного магнитного поля в центре аркимагнитных силовых линий на поверхности катода от 2 до 12 мТл.Также в главе приведено описание методик измерений. Проведенаоценка погрешностей измерений по применяемым методикам.абРисунок 2.Вакуумно-дуговой испаритель с арочным магнитным полем переменнойконфигурации (а) и движение катодных пятен по поверхности катода (б)1 – катод; 2 – анод; 3 – нейтральная вставка; 4 – магнитная система; 5 –устройство инициации разряда (поджиг); 6 – силовые линии арочногомагнитного поля; 7 – трек катодных пятен; 8 – штуцер системы охлажденияВ третьей главе описаны исследования влияния арочного магнитногополя на вольт-амперные характеристики разряда: приведены вольт-амперныехарактеристики в зависимости от величины индукции арочного магнитногополя, показано влияние величины индукции арочного магнитного поля нанапряжение дугового разряда.

Предложена математическая модель,описывающая влияние индукции арочного магнитного поля на изменениевольт-амперной характеристики разряда.Рассмотрены вопросы влияния арочного магнитного поля на динамикудвижения катодных пятен. Под катодным пятном понималась ограниченнаяобласть катодной привязки, формирующая на катоде отдельный кратерразмером 50-200 мкм и являющаяся областью интенсивного испарения,ионизации и образования капельной фазы.

Предложен способ оценкивремени жизни катодного пятна, определяющий нагрев локальной областикатода. Получены времена жизни катодного пятна, определяющие времявоздействия на катод и, соответственно, локальный разогрев материала. Наматериалах титан и медь времена жизни составили 29 мкс и 324 мкссоответственно. При увеличении индукции арочного магнитного поля до7 мТл время жизни уменьшается соответственно в 1,2 и в 6,8 раза, что7приводит к снижению нагрева области привязки дуги на катоде. Этотрезультат был подтверждён измерением размеров кратеров на поверхностикатода: средний размер кратера при увеличении индукции арочногомагнитного поля уменьшился в 1,5 и 1,3 раза для титана и для медисоответственно и составил 78 и 203 мкм.Проведено исследование влияния индукции арочного магнитного поляна скорость эрозии катода и показано, что при увеличении индукцииарочного магнитного поля скорость эрозии снижается в 1,5-3,9 раза взависимости от материала катода (Рисунок 3).Рисунок 3.Влияние арочного магнитного поля на скорость эрозии катода дуговогоиспарителяПоказано, что профиль зоны эрозии катода в арочном магнитном полеописывается функцией Гаусса (Рисунок 4).

Приведена методика ускоренногоопределения ширины зоны эрозии катода методом оптической регистрации.Показано, что увеличение индукции арочного магнитного поля приводит куменьшению ширины зоны эрозии. При увеличении тока разряда шириназоны эрозии наоборот увеличивается (Рисунок 5). Приведены кривые иэмпирические зависимости, описывающие зависимость ширины зоны эрозиии скорости движения катодных пятен от индукции арочного магнитного поляи тока разряда для различных материалов. Измерения и расчёты выполненыдля различных материалов: титан, алюминий, медь, кремний. На основеполученных данных был создан алгоритм расчёта изменения профиля катодадугового испарителя с арочным магнитным поле и оценён коэффициентиспользования материала катода.Выполнен расчёт профиля выработки катода промышленноговакуумно-дугового испарителя с арочным магнитным полем переменнойконфигурации и проведена коррекция закона изменения конфигурацииарочного магнитного поля.

В результате был увеличен коэффициентиспользования материала катода с 37 до 80 %.Были проведены экспериментальные исследования изменения размеровкапель при их движении в плазме вакуумно-дугового разряда. Показано, что8происходит испарение мелких капель размером менее 0,5 мкм, в то время каккапли размером более 1 мкм практически не испаряются.абабРисунок 4.Профиль зоны эрозии катода вакуумно-дугового испарителяа – проработанный катод дугового испарителя; б – аппроксимация профилязоны эрозии кривой ГауссаРисунок 5.Влияние величины индукции арочного магнитнгого поля (а) и тока разряда(б) на ширину зоны эрозии катода (титан)В четвёртой главе приведены результаты исследований капельнойфазы продуктов эрозии катода вакуумно-дугового испарителя и влиянияарочного магнитного поля на дисперсные характеристики капельной фазы.Проведено исследование формы капель в конденсатах и показано, что каплиприходят на подложку в жидком состоянии (Рисунок 6). Для характеристикиформы капель было предложено использовать отношение высоты капли к еёдиаметру (аспектное отношение): A = h / d .

Показано, что на поверхностиподложки наблюдаются в основном два типа форм капель: «диск» и «атолл»,а форма капель – плоская. Это говорит о том, что капли приходят наповерхность в жидком виде.Из анализа размеров отпечатков капель на поверхности подложек былиполучены функции распределения по диаметрам отпечатков капель вконденсатах при различных индукциях арочного магнитного поля и для9нескольких материалов катода (титан, алюминий, медь, кремний)(Рисунок 7).

Рассчитана массовая доля капель в покрытии и показано, чтопри увеличении индукции арочного магнитного поля до 12,5 мТл массоваядоля капель в покрытии снижается в 1,5-2,5 раза в зависимости от материалакатода (Рисунок 8).Рисунок 6.Зависимость отношения высоты капли к её диаметру (аспектного отношенияA(a)) от диаметра каплиабРисунок 7.Функция распределения капель по размерам для различных материалов приразличных индукциях арочного магнитного поляа – титан; б – алюминийС учётом формы капель на подложке рассчитаны функциираспределения по диаметрам капель в плазме вакуумно-дугового разряда изпредположения сферической формы жидкой капли при пролёте разрядногопромежутка.

Получено распределение массы капель между фракциямикапель в плазме дугового разряда. Показано, что наибольший вклад в общуюмассу капель вносят капли размером от 0,15 до 0,91 мкм. Оценён диапазонразмеров капель, которые вносят наибольший вклад в общую массу капель(Рисунок 9). Измерения формы и размеров капель, а также расчёты10дисперсных характеристик и массовой доли капельной фазы выполнены длятитана, алюминия, меди, кремния.

Полученные данные использованы дляразработки математической модели процессов тепломассообмена междукаплей и плазмой вакуумно-дугового разряда.Рисунок 8.Влияние индукции арочногомагнитного поля на массовую долюкапель в покрытии для различныхматериаловРисунок 9.Функции распределения массыкапель между фракциями в потокеплазмы дугового разряда дляразличных материаловВпятойглавепроведёнанализразличныхпроцессовтепломассообмена между изолированной каплей и плазмой вакуумнодугового разряда.

Проведён расчёт тепловых потоков и потоков массы междукаплей и плазмой.Особенностью применяемой математической модели являетсяследующее:1. Расчёт проводился для капель диаметром 1 мкм и меньше, так какэкспериментальные данные, полученные в главе 4 с учётом формыкапель, показали, что большая часть массы капельной фазы переноситсякаплями размером от 0,15 до 0,92 мкм.2. Впервые учитывалось изменение излучательной способности для капельсубмикронного размера при уменьшении их размеров и температуры.3.

В модели учитывалось, что капля одновременно взаимодействует степловыми ионами и ионным пучком, генерируемым катодным пятном.При этом для учёта прихода тепловых ионов рассматривался случай,когда радиус собирающей сферы намного больше радиуса частицы именьше радиуса Дебая, а длина свободного пробега ионов много большерадиуса Дебая. Соотношение между током тепловых ионов и токомионного пучка определялось экспериментально.Показано, что наибольший вклад в тепловой баланс капли вноситтепловой поток со стороны приходящих на каплю ионов, а охлаждениеобеспечивается, главным образом, испарением. Составлена математическаямодель расчёта динамики изменения температуры и массы капли при еёдвижении в плазме дугового разряда:111 −1/2 dTI ib Eib + I iT EiT − e ( 2π M ат kT ) p *(T )π d 2ε св − ε (T , d )σ T 4π d 2 = dtmcM ат−1/2 dmI ib + I iT ) − M ат ( 2π M ат kT ) p *(T )π d 2=( dteТок тепловых ионов IiT, ток ионов пучка Iib, энергия ионов в пучке Eib,энергия тепловых ионов EiT, приходящих на каплю, рассчитывались,соответственно, как:mi < Vi 2 >π d 2  2Z ср eφк  ;=E+ Z ср φк + ε св + φi ( Z ) − Z cpφвых ;=I ib enibViib1 −24 I iT = 0, 4eniTM iVi2e2kTe 2 ;π diMiEiT =< ε iT > + φк + ε св + φi ( Z ) − φвых ,где T – температура капли, К; t – переменная времени, с; d, m, c – диаметр,масса и удельная теплоёмкость капли соответственно, м, кг, Дж/кг/К;2< ε ib >= mV2e – средняя энергия движения ионов в пучке, эВ; < ε iT >= kTкип e –i iсредняя энергия тепловых ионов, эВ; di – диаметр собирающей сферы, м;p*(T) – давление насыщенных паров материала капли, Па; Mат , mi – массаатома и иона соответственно, кг; ε(T, d) – излучательная способность капли;niT, nib – концентрации тепловых ионов и ионов пучка соответственно, м-3; Vi– скорость движения ионов в пучке, м/с; φк – потенциал капли, В; εсв –энергия связи атомов, эВ; Zср – средний заряд иона в пучке; φi – потенциалионизации, эВ; φвых – работа выхода электрона, эВ.Площадь собирающей сферы πdi определяется приходом на каплюионов с одной стороны и формированием объёмного положительного зарядас другой стороны.

Характеристики

Список файлов диссертации