Дуговой разряд это: Дуговой разряд

Содержание

Дуговой разряд положительный столб — Справочник химика 21

Искровой разряд возникает при больших давлениях газа и при большой разности потенциалов на электродах. Представляет собой пучок ярких зигзагообразных полосок, совокупность которых называют искровым каналом. Во всех трех видах разрядов образуется типичное плазменное состояние. Положительный столб тлеющего и дугового разрядов и искровой канал искрового разряда состоят из плазмы. [c.252]
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ СТОЛБ ДУГОВОГО разряда 335, [c.335]

Газ в положительном столбе тлеющего разряда, в дуговом разряде при высоких давлениях и в некоторых других формах разряда (а также в раскаленной атмосфере звезд) находится в особом состоянии (состояние плазмы). Для этого состояния характерны высокая степень ионизации газа, в предельных случаях достигающая 100%, и почти точное равенство [c.351]

Для этого состояния характерны высокая степень ионизации газа, в предельных случаях достигающая 100%, и почти точное равенство нулю средней плотности электричества, т. е. равенство средних концентраций электронов и ионов. Взаимное притяжение электронов и ионов, а также поляризационное взаимодействие (притяжение) свободных зарядов и нейтральных молекул (при неполной ионизации газа) приводят к тому, что плазма представляет собой некоторую единую систему взаимодействующих частиц, обладающую специфическими свойствами (состояние плазмы в известном смысле подобно металлическому состоянию вещества). [c.442]

Напомним, что дуговой разряд при достаточной длине межэлектродного промежутка состоит из трех различных областей катодного падения, анодного падения и столба разряда 838]. Области катодного и анодного падения находятся вблизи соответствующих электродов, протяженность их составляет доли миллиметра. Прикатодная область более узкая. В этой области образуется большая часть электронов и концентрируется основная масса положительных ионов, переносящих электрический заряд к катоду.

Для прикатодной области характерны более высокие, чем в столбе разряда, значения температуры и концентрации электронов и их большие осевые градиенты. В приэлектродных областях дугового разряда отмечаются нарушения термодинамического равновесия. - [c.120]

Наконец, следует упомянуть об изучении поперечного развития разряда. Исследовались, в частности, столбы искрового разряда, причем оказалось, что они мало чем отличаются от положительного столба дуговых разрядов, а также тлеющего и коронного разрядов при средних давлениях. На рис. 112 представлена зависимость скорости поперечного распространения тлеющего разряда (без положительного столба) между двумя никелевыми полосками в инертных газах от приложенного напряжения. Разряд зажигался между концами обеих по.чос и распространялся вдоль этих электродов. Оказалось, что скорость поперечного рас-

[c.223]

Если давление газа увеличивать выше 0,1 мм Hg, то можно заметить, что отрицательные зоны тлеющего разряда начинают стягиваться к катоду.

Действительно, до того как стали применяться вакуумметры с непрерывным отсчетом, широко применялась методика определения вакуума в вакуумных системах по ширине темного катодного пространства. При давлениях выше 100 мм рт. ст. ясно видно только фарадеево темное пространство. Положительный столб всегда заполняет остальную часть разрядного промежутка, но при повышении давления стягивается в радиальном направлении. В этом случае он ничем не отличается от положительного столба дугового разряда при одинаковых значениях тока, за исключением того, что в дуговом разряде на концах столба газ может содержать некоторое количество паров материала катода и анода.
[c.226]

Температуры, измеренные в положительном столбе дуговых разрядов [19, 218, 220, 221] [c.280]

Положительный столб дугового разряда при высоком [c.6]

Другая характерная особенность, присущая не только дуге Петрова, но и всем видам дугового разряда при больших давлениях газа,—это образование положительного столба в виде более или менее тонкого ярко светящегося шнура и очень высокая температура газа по оси этого шнура. [c.323]

Исходными положениями теории положительного столба дугового разряда при высоком и сверхвысоком давлении служит уравнение Сага для термической ионизации в виде

[c.335]

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ СТОЛБ ДУГОВОГО РАЗРЯДА [c.337]

Дуговые печи п дуговая сварка. Высокая температура положительного кратера дуги Петрова и ещё более высокая температура в шнуре положительного столба этой дуги дают возможность использовать дуговой разряд как источник очень высокой [c.342]

Дальнейшие стадии искрового разряда. При большой мощности источника тока искровой разряд переходит в дуговой, и главный канал искры превращается в положительный столб электрической дуги. [c.361]

Переход коронного разряда в искровой или дуговой. Существенная роль стримеров в развитии любого искрового разряда приводит к тому, что заверщение пробоя, имеющее место при повышении напряжения между электродами коронного разряда, проявляется сначала в появлении коротких стримеров, распространяющихся от границы коронирующего слоя во внешнюю область разряда, затем в проскакивании отдельных искр и в увеличении частоты появления этих искр и, наконец, заканчивается снопом непрерывно следующих друг за другом искр, нередко переходящих в стационарную полоску положительного столба дуги.

Можно стабилизовать такой режим разряда, когда коронный и искровой разряды непрерывно чередуются в течение длительных промежутков времени. Поэтому понятие о напряжении искрового перекрытия несколько условно и зависит от того, какую из описанных выше стадий принимать за завершившийся искровой пробой. [c.382]

С увеличением тока разряда последний достигает определенной величины, когда разряд скачком (примерно за 10-= сек) переходит в иную форму (участок Ьс1 рис. 61). Напряжение, соответствующее этой точке, называют напряжением зажигания дугового разряда. Вместо катодного свечения появляется катодное пятно (ярко светящаяся точка на катоде с плотностью тока 10 —10 а см ), исчезает отрицательное тлеющее свечение, четко ограниченный положительный столб становится единственным ярким источником излучения. Эта форма разряда называется дуговым разрядом и характеризуется большой плотностью тока на катоде, малым катодным падением (около 10 в), равным потенциалу ионизации, и высокой световой отдачей.

[c.148]

Разогретая в разрядном промежутке до высокой температуры газовая фаза отдает свою энергию нагреваемому металлу главным образом лучеиспусканием. Столб дугового разряда представляет собой газовую плазму, т. е. газ в ионизированном состоянии, в котором величины пространственных зарядов, созданных положительно и отрицательно заряженными частицами, одинаковы, с преобладающим хаотическим тепловым движением ионизированных молекул. Плазма состоит из нейтральных газовых частиц с повышенной энергией, положительных ионов и электронов. Заряды положительных ионов и электронов компенсируют друг друга, так что в электрическом отношении плазма столба нейтральна.

[c.89]

Теория плазмы Ленгмюра приложима к положительному столбу тлеющего и дугового разряда при не слишком больших плотностях газа, к высокочастотным разрядам в разрежённых газах и к дуговому разряду с искусственным подогревом катода. В этом последнем случае прн малых давлениях плазма заполняет собой всю разрядную трубку, за исключением тонких слоёв у поверхности катода и у поверхности анода. [c.393]

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ СТОЛБ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ПРИ ВЫСОКОМ и СВЕРХВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ [c.532]

Дальнейшие стадии искрового разряда. При большой мощности источника тока или при достаточно большой ёмкости разряжающегося через искровой промежуток конденсатора искровой разряд переходит в дуговой, и главный канал искры превращается в положительный столб или шнур электрической дуги.

[c.571]

Специальный тип газоразрядных источников света представляют собой источники света -для спектрального анализа. Это, во-первых, различного рода трубки для получения стандартных спектров сравнения или определённых спектральных линий. Таковы, например, трубки тлеющего разряда с положительным столбом в узком капилляре, наполненные различными газами (смотрите, например, [2404]). Другая разновидность источников света для спектрального анализа имеет целью получить разряд в парах тех или иных исследуемых веществ, вносимых в разрядный промежуток или представляющие собой электроды.

последнего. В этих приборах используется либо дуговой разряд для получения дугового спектра, либо конденсированный искровой разряд, либо так называемая активированная или горячая дуга — дуга постоянного или 50-периодного тока с наложенным на электроды добавочным высокочастотным напряжением.
[c.711]

Непосредственно к поверхности катода прилегает область катодного падения напряжения, градиент в которой достигает 10 В/см. Все пространство между электродами занято ярко светящимися газами, в которых протекают химические реакции (как в объеме, так и у электродов). Температура газа в дуговом разряде 5000—50 ООО К, а степень ионизации лежит в пределах от 1°/о до 100%. Столб дуги —он представляет собой ярко светящуюся смесь электронов, положительных ионов и более или менее сильно возбужденных нейтральных атомов —называется плазмой. [c.92]

По внешнему виду дуговой разряд в трубках с холодными электродами отличается от тлеющего тем, что на катоде появляется ярко светящееся пятнышко — катодное пятно. Непосредственно к катодному пятну прилегает часть разряда, соответствующая отрицательному снечешш тлеющего разряда. Эту часть называют отрицательной или катодной кистью или отрицательным пламенем. Затем расположены теипюе пространство (аналогично фарадееву темному пространству тлеющего разряда), положительный столб, имеющий сужение у анода, и анодное темное пространство. Яркость положительного столба значительно больше, чем в случае тлеющего разряда, и увеличивается с увеличением тока.

[c.11]

Дуга переменного тока занимает промежуточное положение между дуговым разрядом постоянного тока и искрой по основным параметрам. Механизм поступления пробы в столб дуги различен в зависимости от полярности электрода. При отрицательном заряде имеет место эрозионный механизм (микроучастки поверхности под воздействием разряда мгновенно расплавляются, и пары металла в виде микроструй выбрасываются в межэлект-родный промежуток). При положительной полярности преобладает термический механизм. [c.47]

На рис. 8.5 изображена конструкция отечественной многоэлементной лампы с комбинированным разрядом типа ЛК- Катоды 6 выполнены в виде дисков из различных металлов с центральными отверстиями. Между качодамн 6 н аггодо.м 3 инициируется тлеющий разряд, обеспечивающий получение внутри указанных отверстий атомного пара большой концентрации. Дуговой разряд между оксидным катодом 8 и анодом 3 пронизывает дисковые катоды, и происходит эффективное возбуждение атомных паров в положительном столбе дугового разряда. Для локализации дугового разряда внутри дисковых электродов 6 применяют две слюдяные диафрагмы с центральными отверстиями 4 и 7, между которыми смонтированы керамические чашечки 5 (внут ри чашечек помещены дисковые электроды — катоды). Колба лампы 2 имеет окно /, выполненное из увиолевого стекла, прозрачное в диапазоне 210— 2000 нм. Лампа собрана на восьмиштыревой ножке. 9, имеет штенгель 10 для откачки лампы. В рассматриваемой лампе за [c.145]

Начнем с рассмотрения процессов, связанных с м е-ханизмом возбуждения спектра. В смеси газов в большинстве источников света возбуждаются преимущественно атомы того компонента газовой смеси, у которого более низкие критические потенциалы. Это происходит потому, что температура источника обуславливается компонентом газовой смеси с более низким потенциалом ионизации. Для положительного столба тлеющего разряда это показано в работах Доргело [ ° ] и А, А. Зайцева Аналогичные условия наблюдаются в дуговом разряде р5]. Благодаря снижению электронной температуры разряда в спектре отсутствуют линии элемента с более высоким потенциалом возбуждения. При [c.135]

Дуга. Одним из наиболее распространенных источников линейчатого спектра является дуговой разряд (см., например, [10.15]). Электрической дугой называется форма газового разряда, характеризуемая большой плотностью тока и малым падением потенциала вдоль столба разряда. Стационарный разряд поддерживается благодаря термоэлектронной эмиссии катода. Наряду С положительным столбом разряда, который излучает основное количество световой энергии, несколько отличный по спектральному составу свет испускается также приэлектродпыми областями. В первую очередь мы остановимся на дуге высокого давления. Ее легко получить между твердыми тугоплавкими электродами, к которым приложено постоянное напряжение не менее 50—100 в. Последовательно с дуговым промежутком включают балластное сопротивление. Дуга устойчиво горит при силе тока не менее 2—3 а. Впрочем, при повышении напряжения питания можно получить устойчивую дугу и при меньших токах. [c.264]

Плазма. Плазма представляет собой состояние ионизованного газа, при котором беспорядочное движение электронов преобладает над их направленным движением. Газ в состоянии плазмы заполняет собой целые более или менее обширные области разрядного промежутка. К таким областям принадлежат положительный столб в тлеющем разряде и в дуговом разряде, отшну-рованный полон ительный столб в дуговом разряде при больших давлениях светящаяся область высокочастотного разряда с внутренними и внешними электродами при малых давлениях газа, светящееся кольцо в безэлектродном кольцевом разряде развившийся главный канал в искровом разряде и в молнии почти всё пространство между электродами в дуговом разряде низкого давления с раска. лённым катодом. [c.283]

При горизонтальном расположении электродов и большом давлении газа положительный столб дугового разряда изгибается кверху под действием конвекционных токов нагретого разрядом газа. Отсюда произош.до самое название дуговой разряд. [c.327]

В положительном столбе дугового разряда газ находится в состоянии изотермической плазмы, при котором электроны и ионы находятся в термодинамическом равновесии. Вследствие высокой температуры, достигающей 18 000° С в центре дуги, а также большой плотности тока и возможности варьирования давления в дуговом разряде создаются весьма благоприятные условия для проведения высокотем- [c.126]

Возбуждение атомов и молекул происходит также при ряде химических реакций и в некоторых случаях при трении тел одно о другое. Такое свечение носит названия хемилюминесценция и триболюминесценция. В газовом разряде мы имеем дело в большинстве случаев с электролюминесценцией в дуговом разряде при высоких давлениях, в так называемом отшнурованном положительном столбе, имеет место термическое излучение. [c.320]

При низком давлении газа дуговой разряд отличается от тлеющего разряда лишь своими катодными частями и плотностью тока положительный столб и анодные части разряда те же, что и в тлеющем разряде. Дуга, образованная в парах тех веществ, нз которых состоят электроды, при тщателином удалении других газов из разрядной трубки носит название дуга в вакууме [1771]. К этому виду дугового разряда относится разряд в ртутных выпрямителях. [c.512]

Среднюю температуру газа в положительном столбе дугового разряда можно также определить, измеряя скорость распространения звука в разрядной трубке [1719]. Оказалось, что при больших силах тока температура газа в дуге Петрова может быть выше температуры анода и достигает 6000° К и выше [1781]. Такие высокие температуры газа характерны для дугового разряда под атмосферным давлением. В случае очень больших давлений (десятки и сотни атмосфер) температура в центральных частях отшнуровавшегося положительного столба дуги доходит до 10 000° К. В дуговом разряде при низких давлениях температура газа в положительном столбе того же порядка, как и в положительном столбе тлеющего разряда. [c.529]

В Л1итературе можно встретить указания на различные типы искрового разряда говорят о дуговой искре, о тлеющей искре. Канал первой напоминает по внешнему виду резко очерченный (отшнурованный) положительный столб дугового разряда при высоком давлении, канал второй имеет меньшую яркость, мвнёе резко очерчен и похож на положительный столб тлеющего разряда. Эта классификация не нашла до сих пор отражения в теории искрового разряда. Каналы, развивающиеся от положительного или от отрицательного электрода, имеют различный вид в первом случае наблюдаются резкие и яркие очертания кана-лов, во втором—более мелкое разветвление их и размытые, диффузные края. [c.545]

Курчатов И. В. Собрание научных трудов в 6 томах. Т. 1. — 2005 — Электронная библиотека «История Росатома»

Закладок нет.

ОбложкаФронтиспис12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182838485868788899091929394959697989910010110210310410510610710810911011111211311411511611711811912012112212312412512612712812913013113213313413513613713813914014114214314414514614714814915015115215315415515615715815916016116216316416516616716816917017117217317417517617717817918018118218318418518618718818919019119219319419519619719819920020120220320420520620720820921021121221321421521621721821922022122222322422522622722822923023123223323423523623723823924024124224324424524624724824925025125225325425525625725825926026126226326426526626726826927027127227327427527627727827928028128228328428528628728828929029129229329429529629729829930030130230330430530630730830931031131231331431531631731831932032132232332432532632732832933033133233333433533633733833934034134234334434534634734834935035135235335435535635735835936036136236336436536636736836937037137237337437537637737837938038138238338438538638738838939039139239339439539639739839940040140240340440540640740840941041141241341441541641741841942042142242342442542642742842943043143243343443543643743843944044144244344444544644744844945045145245345445545645745845946046146246346446546646746846947047147247347447547647747847948048148248348448548648748848949049149249349449549649749849950050150250350450550650750850951051151251351451551651751851952052152252352452552652752852953053153253353453553653753853954054154254354454554654754854955055155255355455555655755855956056156256356456556656756856957057157257357457557664 вкл. 164 вкл. 264 вкл. 364 вкл. 464 вкл. 564 вкл. 664 вкл. 764 вкл. 864 вкл. 964 вкл. 1064 вкл. 1164 вкл. 1264 вкл. 1364 вкл. 1464 вкл. 1564 вкл. 1664 вкл. 1764 вкл. 1864 вкл. 1964 вкл. 20Обложка – Фронтиспис1 – 23 – 45 – 67 – 89 – 1011 – 1213 – 1415 – 1617 – 1819 – 2021 – 2223 – 2425 – 2627 – 2829 – 3031 – 3233 – 3435 – 3637 – 3839 – 4041 – 4243 – 4445 – 4647 – 4849 – 5051 – 5253 – 5455 – 5657 – 5859 – 6061 – 6263 – 6465 – 6667 – 6869 – 7071 – 7273 – 7475 – 7677 – 7879 – 8081 – 8283 – 8485 – 8687 – 8889 – 9091 – 9293 – 9495 – 9697 – 9899 – 100101 – 102103 – 104105 – 106107 – 108109 – 110111 – 112113 – 114115 – 116117 – 118119 – 120121 – 122123 – 124125 – 126127 – 128129 – 130131 – 132133 – 134135 – 136137 – 138139 – 140141 – 142143 – 144145 – 146147 – 148149 – 150151 – 152153 – 154155 – 156157 – 158159 – 160161 – 162163 – 164165 – 166167 – 168169 – 170171 – 172173 – 174175 – 176177 – 178179 – 180181 – 182183 – 184185 – 186187 – 188189 – 190191 – 192193 – 194195 – 196197 – 198199 – 200201 – 202203 – 204205 – 206207 – 208209 – 210211 – 212213 – 214215 – 216217 – 218219 – 220221 – 222223 – 224225 – 226227 – 228229 – 230231 – 232233 – 234235 – 236237 – 238239 – 240241 – 242243 – 244245 – 246247 – 248249 – 250251 – 252253 – 254255 – 256257 – 258259 – 260261 – 262263 – 264265 – 266267 – 268269 – 270271 – 272273 – 274275 – 276277 – 278279 – 280281 – 282283 – 284285 – 286287 – 288289 – 290291 – 292293 – 294295 – 296297 – 298299 – 300301 – 302303 – 304305 – 306307 – 308309 – 310311 – 312313 – 314315 – 316317 – 318319 – 320321 – 322323 – 324325 – 326327 – 328329 – 330331 – 332333 – 334335 – 336337 – 338339 – 340341 – 342343 – 344345 – 346347 – 348349 – 350351 – 352353 – 354355 – 356357 – 358359 – 360361 – 362363 – 364365 – 366367 – 368369 – 370371 – 372373 – 374375 – 376377 – 378379 – 380381 – 382383 – 384385 – 386387 – 388389 – 390391 – 392393 – 394395 – 396397 – 398399 – 400401 – 402403 – 404405 – 406407 – 408409 – 410411 – 412413 – 414415 – 416417 – 418419 – 420421 – 422423 – 424425 – 426427 – 428429 – 430431 – 432433 – 434435 – 436437 – 438439 – 440441 – 442443 – 444445 – 446447 – 448449 – 450451 – 452453 – 454455 – 456457 – 458459 – 460461 – 462463 – 464465 – 466467 – 468469 – 470471 – 472473 – 474475 – 476477 – 478479 – 480481 – 482483 – 484485 – 486487 – 488489 – 490491 – 492493 – 494495 – 496497 – 498499 – 500501 – 502503 – 504505 – 506507 – 508509 – 510511 – 512513 – 514515 – 516517 – 518519 – 520521 – 522523 – 524525 – 526527 – 528529 – 530531 – 532533 – 534535 – 536537 – 538539 – 540541 – 542543 – 544545 – 546547 – 548549 – 550551 – 552553 – 554555 – 556557 – 558559 – 560561 – 562563 – 564565 – 566567 – 568569 – 570571 – 572573 – 574575 – 57664 вкл. 1 – 64 вкл. 264 вкл. 3 – 64 вкл. 464 вкл. 5 – 64 вкл. 664 вкл. 7 – 64 вкл. 864 вкл. 9 – 64 вкл. 1064 вкл. 11 – 64 вкл. 1264 вкл. 13 – 64 вкл. 1464 вкл. 15 – 64 вкл. 1664 вкл. 17 – 64 вкл. 1864 вкл. 19 – 64 вкл. 20

Типы самостоятельных разрядов — Электрический ток в газах

Самостоятельный газовый разряд бывает 4-х типов

1. Тлеющий разряд.

При низких давлениях — наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление: при уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки (рис. 2). При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает. Около катода образуется первое темное пространство 1, к которому прилегает ионный светящийся слой 2 (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток 3, называемый фарадеевым или вторым темным пространством. За ним лежит светящаяся область 4, простирающаяся до анода, или положительный столб.

(Рис. 2)

Тлеющий разряд применяется в различных трубках, изготовленных для рекламы. В зависимости от наполнителя, они будут светиться различными цветами.

А наиболее важной областью применения тлеющего разряда являются газовые лазеры.

2. Искровой разряд.

При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.

Зная, как зависит напряжение пробоя от расстояния между электродами какой-либо определенной формы, можно измерить неизвестное напряжение по максимальной длине искры.

На этом основано устройство искрового вольтметра для грубой больших напряжений.

Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда или искрового пробоя газа. При наступлении искрового разряда газ внезапно утрачивает свои диэлектрические свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой наступает искровой пробой газа, имеет различное значение у разных газов и зависит от их состояния (давления, температуры). Чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя.

Возникновение пробоя объясняется следующим образом: в газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении.

В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток – ион.

3. Коронный разряд.

Коронный разряд — характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях. Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода). Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.

Возникает при сравнительно высоких давлениях (порядка атмосферного) в сильно неоднородном электрическом поле. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Когда напряжённость поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны (отсюда название).

4. Дуговой разряд

Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов.

Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет, и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света.

Хотя в широкой практике дуговые лампы в настоящее время почти полностью вытеснены лампами накаливания, тем не менее в ряде случаев, где требуются очень мощные и яркие источники света, например в прожекторах, при киносъемке и т. п., дуговые лампы применяются очень часто.

Электрическая дуга–основа РДС | Сварка и сварочное оборудование

Рубрика: Сварка и сварочное оборудование

Использование любых установок для дуговой сварки металлов, от недорогого сварочного инвертора до огромных специализированных/компьютеризированных машин, основано на тепловом воздействии дугового факела на свариваемый металл. Что же такое электрическая дуга вообще и сварочная дуга в частности?

Дуга является частным случаем электрического разряда в газообразной среде, отличающаяся устойчивостью, большой мощностью и удовлетворительной управляемостью. В общем виде разряд бывает коронный, тлеющий, искровой. Их сравнение с дуговым «собратом» выявляет технологические преимущества последнего:

Искровой разряд обладает невысокой мощностью и протекает кратковременно;
Коронный разряд возникает при высокой неоднородности электрического поля, значительная часть его энергии расходуется на свечение;
Тлеющий разряд стабилен во времени и пространстве, но его образование связано с низким давлением ионизируемой среды.

Для целей практической сварки из всего «ассортимента» электрических разрядов подходит только дуговой. Это касается любого оборудования для РДС, Mig/Mag/Tig установок, стационарных EWM сварочных аппаратов и мобильного переносного оборудования. Только дуга обладает приемлемой длительностью, высокой плотностью рабочего тока и сравнительно малыми потерями напряжения – что позволяет создавать установки с высоким КПД, хорошей управляемостью и широким диапазоном обрабатываемых металлов и сварочных режимов.

Зажигание сварочной дуги

Поджиг дугового факела при MMA-сварке производится двумя основными способами:

Выполняется замыкание цепи электродным торцом, после чего он отводится на рабочее расстояние (обычно от 3 до 6 миллиметров). При быстроте замыкания и точности отвода возникает стабильный факел. Практически все современные РДС аппараты снабжаются удобным функционалом «легкого поджига», и недорогой сварочный инвертор, и высокопрофессиональный специализированный агрегат. За счет простоты реализации, опций «Antistick» и «Hot start» данный метод является основным.
Электродный торец только приближается к заготовке на то же расстояние оптимальной длины факела (3…6 мм), но короткого замыкания не происходит. Вместо него в питающую цепь кратковременно включают осциллятор либо другое устройство для инициирования высокочастотного импульса переменного напряжения. Происходит пробой дугового зазора, соответственно возникает дуговой разряд. Метод сложен ввиду потребности дополнительного источника импульсов, чаще используется для работы неплавящимся электродным стержнем.

Физика процесса «дуга+металл»

При первом контакте (т.е. при коротком замыкании) электродного торца со свариваемой деталью ток в области соприкосновения достигает огромных величин. Выделяется такое количество тепла, что металл заготовки (и в определенной степени сердечник электрода) плавятся сразу, мгновенно. Между плавно отводимым электродом и свариваемой кромкой возникает перемычка из композитного расплава «металл детали + материал электродного стержня». В этот момент дуги еще нет! Стабильный дуговой разряд образуется, как только жидкая перемычка разрывается, он обусловлен высокой концентрацией паров газа, металла и обмазки в узком зазоре и значительным напряжением, приложенным к заготовкам и оборудованию.

Столб дуги горит между ванной расплава и торцом электрода, захватывая электроны из области свариваемых кромок. Энергетические затраты на эмиссию электронов, «вырываемых» из области катодного пятна, составляют значительные 30-40 % от всего расхода энергии РДС-инвертора. При этом температура самого столба значительно выше, чем его «рабочей», катодной части.

Если говорить о сварке железа и стали, то бюджетное оборудование способно нагреть металл в области катода (электродного торца) до 2.200…2.300 °С. Модели от Linkoln или EWM – сварочных аппаратов премиального класса – способны «выдавать» до 2.500 °С на катоде. Между тем сам дуговой столб имеет температуру до 7.000 – 8.000 °С! На него приходится порядка 20 % падения напряжения всего процесса.

Остальная часть рабочего напряжения приходится на анодную область – поверхность детали, свариваемые кромки, область наплавки и т.д. Для стали ее прогрев составляет 2.500~2.600 °С. Область расплава шире электродного торца, имеет вогнутый профиль, падение напряжения на нем меньше, чем в других областях дуги.

Падение напряжения на электрической сварочной дуге

В технической литературе приняты следующие обозначения этого важного рабочего параметра:

U_К – катодное падение;

U_А– анодное;

U_С– на самом столбе.

При этом сумма U_К+U_Аслабо зависит от изменения настрое сварочного аппарата. Эта сумма в гораздо большей степени определяется характерными свойствами свариваемого металла, электродным материалом и спецификой газовой среды в межэлектродном зазоре. Поэтому гораздо удобнее следующая эмпирическая формула:

U_Д= К+С*L_Д , где:

К – сумма катодного и анодного падения напряжения;

С – коэффициент, характеризующие снижение потенциала на единицу длины дугового столба;

L_Д – длина дуги в стабильном рабочем режиме.

Как видно, U_Д непосредственно и однозначно определяется дуговым зазором при условии стабильной сварки с подобной длиной дуги. Отсюда следуют характерные значения данного параметра при основных режимах работы:

При обычной MMA-сварке электродами с обмазочным слоем U_Д = 18…29 Вольт.
При сваривании заготовок неплавящимися электродами процесс устойчив при U_Д=30…36 Вольт.
При инициации дугового столба электродом с металлическим сердечником значения напряжения пробоя (зажигания) лежит в пределах 30…50 вольт.

Важной рабочей характеристикой РДС-сварки является характер переноса расплава от электродного торца в сварочную ванну. Различают мелкокапельный, крупнокапельный и струйный перенос металлического расплава. Каждый тип обладает рядом достоинств, с точки зрения производительности и качества швов чаще предпочтителен струйный перенос расплавленного металла.

Информация предоставлена интернет-гипермаркетом сварочного оборудования Тиберис — tiberis. ru

Многофункциональные сварочные инверторы для изготовления теплообменного и емкостного оборудования

На нашем заводе мы используем различные типы сварочных инверторов для изготовления теплообменных аппаратов и емкостей. Основное это сварка кожухов и корпусов оборудования, приварка патрубков и фланцев приварных для соединения с масло и водопроводами.

И конечно все емкостное оборудование изготавливаем используя многие виды инверторов в особенности для производства емкостных аппаратов вээ где корпус выполняется только сварным и к нему привариваются штампованные эллиптические днища.

Наш завод по производству теплообменников, емкостей, трубных пучков желает вам отличного настроения и покупок качественного и надежного оборудования!

Токовая петля / Схема обнаружения дугового разряда

УП-18

Обратная связь по току / Токовая петля
Способ обнаружения дугового разряда источниками питания Spellman никак не связан с обратной связью по току и управляющей токовой петлей.
Перегрузка по току – это длительное состояние отказа в цепи с низким сопротивлением, которое может сохраняться в течение продолжительного периода времени. Источники питания обнаруживают его за счет обратной связи по току и переключаются из режима постоянного напряжения в режим постоянного тока для приведения непрерывного постоянного тока к уровню, заданному токовым входящим управляющим сигналом. Константы времени, связанные с цепью обратной связи по току и усилителю ошибок по силе тока, обычно равны нескольким миллисекундам или десяткам миллисекунд, поэтому мы не используем обратную связь по току для обнаружения дугового разряда. Обратная связь по току используется только для регулирования долговременного постоянного тока в соответствии с токовой петлей.

Характеристики дуговых разрядов
Дуговые разряды характеризуются очень низким сопротивлением, которое может возникнуть очень быстро и существовать всего лишь несколько микросекунд, десятков или сотен микросекунд. При возникновении такой ситуации, если рассматривать ее в отношении источника питания, то в принципе происходит ёмкостный разряд. У нас есть заряженный конденсатор (собственная емкость умножителя источника питания), к выходу которого подключен элемент с очень низким сопротивлением. Единственным фактором, ограничивающим силу тока, при этом будет внутренняя последовательная ограничительная схема (обычно состоящая из резисторов и (или) индукторов). При отсутствии каких-либо технических мер по ее ограничению, сила тока дугового разряда была бы бесконечно велика, но внутренние ограничивающие резисторы в наших устройствах удерживают силу тока на уровне безопасного разряда. Высоковольтный источник питания, номинальная сила тока которого исчисляется миллиамперами, в момент дугового разряда может выдавать амперы или даже десятки ампер. Это НЕ обычный номинальный ток, а ток накопленного дугового разряда, и разница между этими явлениями очень велика.

Токочувствительный трансформатор
Из-за коротких промежутков времени и большой силы тока, возникающей в момент дугового разряда, Spellman использует другое средство для обнаружения дуговых разрядов — токочувствительный трансформатор. Токочувствительный трансформатор подключается к выходу схемы умножителя. Он не обнаруживает обычный постоянный ток малой силы, являющийся номинальным для источника питания, но обнаруживает дуговой разряд, сила тока которого очень велика, а продолжительность измеряется микросекундами. Таким образом мы обнаруживаем дуговой разряд.

Процесс гашения дугового разряда
Процесс гашения дугового разряда необходим, потому что любая накопленная в умножителе энергия излучается в виде тепла в блоке выходных ограничителей. Отдельные дуговые разряды не приводят к повреждению источника питания, однако повторяющиеся продолжительные дуговые разряды могут привести к перегреву схемы выходных ограничителей. После некоторого количества дуговых разрядов в течение определенного времени произойдет повреждение источника питания вследствие перегрева. Процесс гашения дугового разряда в наших устройствах предотвращает какие-либо повреждения. Изменить характер явления, которое мы называем дуговым разрядом, невозможно; Spellman определяет уровень чувствительности, достаточный для защиты источника питания, который в то же время не мешает нормальной эксплуатации устройства.

Для чего не предназначена схема защиты от дугового разряда
Процесс обнаружения и прерывания дугового разряда в устройствах Spellman служит для защиты источника питания от чрезмерного долговременного воздействия дуговых разрядов; он не предназначен для высокоточной работы и непрерывной регулировки схемы пользователем. Если заказчику требуется высокоточное регулируемое обнаружение дуговых разрядов, Spellman рекомендует реализовать его самостоятельно при помощи внешнего токочувствительного трансформатора. Таким образом будет сохранена необходимая источнику питания защита от дуговых разрядов, а заказчик получит возможность настроить внешний трансформатор для обнаружения дугового разряда в соответствии со своими потребностями.

Дуговые разряды – обзор

8.17.2.1 Дуговой разряд

В процессе дугового разряда атомы углерода испаряются плазмой газообразного гелия, воспламеняемого сильным током, проходящим через противоположные угольные анод и катод ( рис. 4 ). ^33,34 В наиболее распространенной схеме лабораторного производства дуга постоянного тока (ПТ) работает в зазоре шириной 1–4 мм между двумя графитовыми электродами диаметром 6–12 мм, установленными вертикально или горизонтально в камере с водяным охлаждением, заполненной газообразным гелием при давлении ниже атмосферного.⁶ Метод угольной дуги для получения УНТ кажется очень простым; однако получение УНТ с высоким выходом очень сложно и требует тщательного контроля условий эксперимента. ⁶ Газообразный гелий и постоянный ток более важны для максимального выхода; положение оси электрода не оказывает заметного влияния на качество или количество МУНТ. Кроме того, для продолжительности синтеза в наиболее стабильном и высокопроизводительном дуговом процессе требуется постоянная скорость подачи и ток дуги.³⁵ Было указано, что оптимальные условия для роста УНТ включают прохождение постоянного тока (80–100 А) через два высокочистых графитовых электрода (внешний диаметр 6–10 мм, расстояние между ними около 1–2 мм) в атмосфере гелия. (500 торр). ³² Параметры МУНТ, оцененные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), сильно зависят от параметров дуги.

Рис. 4. Схема устройства дугового разряда, используемого для производства фуллеренов и нанотрубок.

Адаптировано с разрешения Terrones, M. Int. Матер. Rev. 2004 , 49 , 325. ³²

В 1991 году Iijima ²⁶ сообщил о получении нового типа конечных углеродных структур, состоящих из игольчатых трубок. Трубки были изготовлены с использованием метода испарения в дуговом разряде, аналогичного тому, который используется для синтеза фуллерена (, рис. 4, ). Углеродные иглы диаметром от 4 до 30 нм и длиной до 1 мм были выращены на отрицательном конце угольного электрода.Изображения ПЭМ показали, что каждая из игл состояла из коаксиальных трубок из графитовых листов в количестве от 2 до примерно 50, позже названных МУНТ ( Рисунок 5 ).

Рисунок 5. Однородные УНТ гексагональной сети: ПЭМ-изображения (а), (б) и (в) для трех МУНТ, о которых впервые сообщил Иидзима в 1991 г.

Перепечатано с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Iijima, S. Nature 1991 , 354 , 56, ²⁶ Авторское право 1991 г.

Позже исследование морфологии углеродных микротрубочек, синтезированных в процессе дугового разряда, с помощью ПЭМ показало, что существует множество вариаций формы, особенно вблизи кончиков трубок. .³⁶ Была построена топологическая модель, в которой пятиугольники и семиугольники играли ключевую роль в форме наконечника трубки. Модель открытого роста была предложена Iijima et al. , ³⁷, при котором атомы углерода захватываются оборванными связями, и послойный (LBL) рост, при котором нанотрубки утолщаются. Зарождение положительных (пятиугольники) и отрицательных (семиугольников) дисклинаций на концах открытых трубок приводит к изменению направлений роста, соответственно образуя УНТ с различной морфологией.

В 1992 году Эббесен и Аджаян, ³⁸, впервые совершили прорыв в области МУНТ, полученных с помощью дугового разряда, которые добились роста и очистки высококачественных МУНТ на уровне грамма. Синтезированные МУНТ имеют длину порядка 10 мкм и диаметр в диапазоне 5–30 нм. УНТ обычно связаны сильными ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями и образуют плотные пучки. МУНТ, полученные дуговым разрядом, обычно очень прямые, что указывает на их высокую кристалличность. Для выращенных материалов на боковых стенках УНТ присутствует небольшое количество дефектов, таких как пятиугольники или семиугольники.

Ожидалось дальнейшее увеличение производительности МУНТ за счет использования более толстых графитовых стержней в более крупных и мощных дуговых реакторах. Это ожидание было реализовано с помощью конструкции большого дугового реактора с камерой объемом 350 л ( Рисунок 6 ( a )), способной испарять графитовые стержни диаметром до 75 мм. ³⁹ Цилиндрические катодные отложения, полученные в ходе этого увеличенного процесса ( Рисунок 6 ( b )), содержат мягкое ядро внутри внешней твердой оболочки. В оптимальных условиях материал сердцевины имеет столбчатую структуру. Диаметр колонны и сепарация примерно такие же, как и в отложениях малого диаметра. Кроме того, длина столба в крупных отложениях обычно намного меньше (∼3–5 мм) из-за меньшей устойчивости плазмы в дуговом промежутке. Оптимальные условия для производства МУНТ включают тот же диапазон давления гелия и ширины дугового промежутка, но при значительно более низких плотностях тока по сравнению с анодами лабораторного масштаба. Подразумевалось, что описанный выше крупномасштабный реактор очень близок к оптимальным размерам и мощности для синтеза МУНТ в дуге и, вероятно, останется самым большим реактором в мире в течение следующих нескольких лет.³⁹ Во время дугового процесса следующим логическим шагом для увеличения производства МУНТ будет автоматизация крупных реакторов, которая сделает производственный процесс практически непрерывным.

Рис. 6. (а) Промышленный дуговой разрядный реактор для производства УНТ. Отличается испарением до 1 кг анода в час. (б) Катодные отложения, полученные на промышленном аппарате из графитовых анодов диаметром 65 и 25 мм (два задних слоя) и с помощью лабораторной установки дугового разряда с анода диаметром 8 мм (передний слой) в течение примерно 1 ч.

С любезного разрешения Springer Science+Business Media: Loutfy, R.O.; Лоу, Т.П.; Моравский, А.П.; Катагири, С. In Перспективы фуллереновой нанотехнологии , Осава, Э., изд.; Спрингер: Нидерланды, 2002 г.; стр. 35. ³⁹ Copyright 2002.

Дуговой разряд был разработан в превосходный метод для производства как MWNT, так и SWNT с высоким качеством. Для роста ОСНТ обычно требуется металлический катализатор в системе дугового разряда. В 1993 году Иидзима и Ичихаши ⁵ и Бетьюн и др. .⁴⁰ почти одновременно сообщили об дуговом разряде и синтезе ОСНТ с помощью катализатора. Iijima использовал камеру дугового разряда, которая была заполнена газовой смесью метана 10 Торр и аргона 40 Торр. В центре камеры были установлены два вертикальных тонких электрода. Катод, а именно нижний электрод, имел неглубокое углубление для удержания небольшого кусочка железа во время испарения. Дуговой разряд создавался при подаче постоянного тока силой 200 А при напряжении 20 В между электродами.Все три используемых компонента, железо, метан и аргон, были критическими для синтеза ОСНТ. ПЭМ-изображения полученных образцов указывали на присутствие нитей ОСНТ, которые были изогнуты и спутаны вместе, образуя пучки. ОУНТ имели диаметр ~1 нм с широким диапазоном диаметров от 0,7 до 1,65 нм. С тех пор рост ОСНТ изучался с использованием различных элементов и соединений. ^41–46

При синтезе УНТ в дуговом разряде Бетьюн и его коллеги ⁴⁰ использовали тонкие электроды с просверленными отверстиями, заполненными смесью чистых порошкообразных металлов (Fe, Ni или Co) и графита в качестве анодов.Электроды испарялись током 95–105 А в 100–500 Торр газообразного гелия. Анализ полученных образцов с помощью ПЭМ показал, что только сокатализированные УНТ имеют стенки из одного атомного слоя с однородным диаметром 1,2 ± 0,1 нм (, рис. 7, ).

Рис. 7. ПЭМ-изображение оголенного участка подготовленной ОСНТ.

Большое количество ОСНТ было выращено методом дугового разряда Журне и его сотрудниками. ⁴⁷ Дуга генерировалась между двумя графитовыми электродами в реакторе в атмосфере гелия при давлении 660 мбар. На конце анода было просверлено отверстие, заполненное смесью металлического катализатора (Ni-Co, Co-Y или Ni-Y) и графитового порошка. Дуга генерировалась током 100 А при поддерживаемом постоянном падении напряжения 30 В. Наблюдение с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показало, что осажденный материал, по-видимому, состоит из большого количества (∼80%) перепутанных углеродных жгутов ( Рисунок 8 ( a )).Изображения ПЭМ высокого разрешения показали, что веревки имели диаметр от 5 до 20 нм. Диаметры трубок составляли около 1,4 нм, а среднее расстояние между ними составляло примерно 1,7 нм ( Рисунок 8 ( b )). Рентгенограммы (РД) показали периодическое расположение трубок в жгутах, что позволяет сделать вывод об уникальном механизме роста, который не зависит от конкретных условий эксперимента, а гораздо больше зависит от кинетики конденсации углерода в неравновесная ситуация.⁴⁷

Рис. 8. (a) SEM и (b) TEM-изображения с высоким разрешением подготовленных SWNT, полученные Journet и соавт.

Адаптировано с разрешения Journet, C.; Мазер, В.К.; Бернье, П.; и др. Nature 1997 , 388 , 756. ⁴⁷

УНТ, полученные из углеродного пара, образующегося при дуговом разряде графита, обычно имеют меньше структурных дефектов, чем те, которые производятся с помощью каталитических методов CVD, что в основном связано с более высокой температурой роста, обеспечивает идеальный отжиг дефектов в трубчатых листах графена. Кроме того, МУНТ, полученные высокотемпературным методом, являются совершенно прямыми по сравнению с переплетенными трубками, полученными при низких температурах в процессах CVD, катализируемых металлами. Кроме того, в настоящее время метод дугового разряда остается самым простым и дешевым методом получения больших количеств ОУНТ, но полученные УНТ менее чистые, чем УНТ, полученные с помощью лазерной абляции. Поэтому многие экспериментальные и теоретические исследования все еще проводятся для улучшения выхода ОСНТ в дуговом процессе и для обеспечения всестороннего понимания механизма роста.Масштабирование, оптимизация и контроль процесса дугового разряда, чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным, по-прежнему остается важной задачей. ⁶

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Электрическая абляция твердого топлива в дуговом разряде

[1] Савка В.Н. и Макферсон М., «Электрические твердотопливные двигатели: безопасная технология микро- и макродвигателей», 49-я Совместная конференция по двигателям AIAA/ASME/SAE/ASEE , Бумага AIAA 2013-4168, 2013.doi: https://doi.org/10.2514/6.2013-4168

[2] Савка В. Н., Патент США на «Управляемые цифровые твердотельные кластерные двигатели для ракетных двигателей и производства газа», № 7958823 B2 и 8464640 , 14 июня 2011 г. и 18 июня 2013 г.

[3] Dulligan M., Патент США на «Электроуправляемые огнетушащие твердотопливные двигатели», № 7788900B2, сентябрь 2010 г.

4] Chung K [ ., Розумов Э., Каминский Д., Бюшер Т., Маншип Т., Вальдивия А., Кук П.

и Андерсон П., «Разработка электрически управляемых энергетических материалов», ECS Transactions , Vol. 50, № 40, 2013. С. 59–66. doi: https://doi.org/10.1149/05040.0059ecst

[5] Grix C. и Sawka WN, Патент США на «Семейство модифицируемых высокоэффективных метательных зарядов и взрывчатых веществ с электрическим управлением», № 8888935B2, ноябрь . 2011.

[6] Савка В. Н. и Грикс С., Патент США на «Семейство метастабильных межмолекулярных композитов, использующих энергетические жидкие окислители с топливом из наночастиц в золь-гелевой полимерной сети», №.8317953B2, ноябрь 2012 г.

[7] Бэрд Дж. К., Ланг Дж. Р., Хайатт А. Т. и Фредерик Р. А., «Электролитическое горение в твердом топливе из поливинилового спирта и нитрата гидроксиламмония», Journal of Propulsion and Power 90.006, . 33, № 6, 2017. С. 1589–1590. doi:https://doi.org/10.2514/1.B36450

[8] Hiatt AT и Frederick RA, «Лабораторные эксперименты и фундаментальные исследования электрических твердотопливных электролитических характеристик», 52-я ассоциация AIAA/SAE/ASEE Propulsion Conference , документ AIAA 2016-4935, 2016 г. doi:https://doi.org/10.2514/6.2016-4935

[9] Савка В. Н. и Грикс С., Патент США на «Электродное зажигание и управление электрически воспламеняющимися материалами», № 8857338B2, октябрь. 2014.

[10] Бертон Р.Л. и Турчи П.Дж., «Импульсный плазменный двигатель», Journal of Propulsion and Power , Vol. 14, № 5, 1998, стр. 716–735. doi:https://doi.org/10.2514/2.5334

[11] Гацонис Н. А., Лу Ю., Бландино Дж., Деметриу М. А.и Пасхалидис Н., «Микроимпульсные плазменные двигатели для управления ориентацией низкоорбитального спутника CubeSat», Journal of Spacecraft and Rockets , Vol. 53, № 1, 2016. С. 57–73. doi:https://doi.org/10.2514/1.A33345

[12] Кейдар М., Чжуан Т., Шашурин А., Тил Г., Чиу Д., Лукас Дж., Хак С. и Бриеда Л., «Электрическая двигательная установка для малых спутников», Plasma Physics and Controlled Fusion , Vol. 57, № 1, 2015. С. 014005–014010. дои: https://doi. org/10.1088/0741-3335/57/1/014005

[13] Бушман С. и Бертон Р.Л., «Свойства нагрева и плазмы в коаксиальном газодинамическом импульсном плазменном двигателе», Journal of Propulsion and Power , Vol. 17, № 5, 2001. С. 959–966. doi: https://doi.org/10.2514/2.5849

[14] Cheng L., Wang Y., Ding W., Ge C., Yan J., Li Y., Li Z. и Sun A. ., «Экспериментальное исследование зажигания разряда в импульсном плазменном двигателе на основе капиллярного разряда», Physics of Plasmas , Vol.25, No. 9, 2018, Paper 093512. doi:https://doi.org/10.1063/1.5038087

[15] Wang Y., Ding W., Cheng L., Yan J., Li Z. , Ван Дж. и Ван Ю., «Исследование разрядных характеристик электротермического импульсного плазменного двигателя», IEEE Transactions on Plasma Science , Vol. 2017. Т. 45, № 10. С. 2715–2724. doi: https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2738330

[16] Аояги Дж., Мукаи М., Камисима Ю., Сасаки Т. , Шинтани К., Такегахара Х., Вакидзоно Т.и Сугики Т., «Общее улучшение импульса коаксиального импульсного плазменного двигателя для малого спутника», Vacuum , Vol. 83, № 1, 2008 г., стр. 72–76. doi:https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2008.03.082

[17] Эдамицу Т. и Тахара Х., «Экспериментальное и численное исследование электротермического импульсного плазменного двигателя для малых спутников», Вакуум , Том. 80, № 11, 2006 г., стр. 1223–1228. doi: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2006.01.055

[18] Миясака Т., Асато К., Сакагучи Н. и Ито К., «Оптические измерения нестационарных явлений на коаксиальных импульсных плазменных двигателях», Vacuum , Vol. 88, февраль 2013 г., стр. 52–57. doi: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.04.003

[19] Markusic TE, Polzin KA, Choueiri EY, Keidar M., Boyd ID and Lepsetz N., «Ablative Z- Импульсный плазменный двигатель Pinch», Journal of Propulsion and Power , Vol. 21, № 3, 2005. С. 392–400. doi: https://doi.org/10.2514/1.4362

[20] Кейдар М., Бойд И. Д. и Бейлис И. И., «Электрический разряд в тефлоновой полости коаксиального импульсного плазменного двигателя», IEEE Transactions on Plasma Science , Vol. 28, № 2, 2000. С. 376–385. doi: https://doi.org/10.1109/27.848096

[21] Кейдар М., Бойд И. Д. и Бейлис И. И., «Модель электротермического импульсного плазменного двигателя», Journal of Propulsion and Power , Vol. 19, № 3, 2003. С. 424–430. doi: https://doi.org/10.2514/2.6125

[22] Рухти С.Б. и Нимейер Л., «Дуги, контролируемые абляцией», IEEE Transactions on Plasma Science , Vol. 14, № 4, 1986, стр. 423–434. doi: https://doi.org/10.1109/TPS.1986.4316570

[23] Шёнхерр Т., Комурасаки К. и Хердрих Г., «Эффективность использования топлива в импульсном плазменном двигателе», Journal of Propulsion and Мощность , об. 29, № 6, 2013. С. 1478–1487. doi: https://doi.org/10.2514/1.B34789

[24] Сигер М., Теппер Дж., Кристен Т.и Абрахамсон Дж., «Экспериментальное исследование абляции ПТФЭ в высоковольтных выключателях», Journal of Physics D: Applied Physics , Vol. 39, № 23, 2006 г., стр. 5016–5024. doi: https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/23/018

[25] Ван В., Конг Л., Гэн Дж., Вэй Ф. и Ся Г., «Стена Абляция нагретых составных материалов в неравновесную разрядную плазму», Journal of Physics D: Applied Physics , Vol. 50, № 7, 2017, Paper 074005. doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa5606

[26] Николас А., Финн Т., Галыш И., Май А., Йен Дж., Савка В.Н., Рэнсделл Дж. и Уильямс С., «Обзор миссии SpinSat, 27-я ежегодная конференция AIAA/USU по малым спутникам , документ AIAA SSC13-I-3, Логан, Юта, 2013 г., http://digitalcommons.usu.edu/smallsat/2013/all2013/46.

[27] Гласкок М. С. и Рови Дж. Л., «Электрический твердотопливный двигатель в импульсном плазменном двигателе», 35-я Международная конференция по электрическим двигателям , документ ERPS, IEPC-2017-376, Атланта, 2017 г., http://erps.spacegrant.org/IEPC_2017/IEPC_2017_376.pdf.

[28] Ян Р. Г., Physics of Electric Propulsion , McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1968, стр. 263–275.

[29] Гласкок М. С., Рови Дж. Л., Уильямс С. и Трэшер Дж., «Характеристика струи электрических твердотопливных импульсных микродвигателей», Journal of Propulsion and Power , Vol. 33, № 4, 2017. С. 870–880. doi: https://doi.org/10.2514/1.B36271

[30] Гласкок М.С., «Характеристика электрических твердотопливных импульсных микродвигателей», М.С. Диссертация, Университет науки и технологий штата Миссури, Ролла, штат Миссури, 2016 г.

[31] Шоу П., «Импульсные плазменные двигатели для малых спутников», доктор философии. Диссертация, унив. of Surrey, Guildford, England, UK, 2011.

[32] Spitzer L., Physics of Fully Ionized Gases , Wiley, New York, 1962, p. 139.

[33] Рисанек Ф. и Бертон Р.Л., «Влияние геометрии и энергии на коаксиальный тефлоновый импульсный плазменный двигатель», 36-я Совместная конференция AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигателям и выставка , AIAA Paper 2000 -3429, 2000.doi: https://doi.org/10.2514/6.2000-3429

[34] Ковитя П., «Термодинамические и транспортные свойства абляционных паров ПТФЭ, глинозема, плексигласа и ПВХ», IEEE Transactions on Plasma Наука , Том. 12, № 1, 1984, стр. 38–42. doi: https://doi.org/10.1109/TPS.1984.4316290

[35] Ван Х., Ван В., Ян Дж. Д., Ци Х., Гэн Дж. и Ву Ю., «Термодинамические свойства и перенос Коэффициенты двухтемпературной паровой плазмы ПТФЭ», Journal of Physics D: Applied Physics , Vol.50, No. 39, 2017, Paper 395204. doi:https://doi. org/10.1088/1361-6463/aa7d68

[36] Lee H. and Litzinger TA, «Chemical Kinetic Study of HAN Decompostion, Горение и пламя , Том. 135, № 1–2, 2003 г., стр. 151–169. doi:https://doi.org/10.1016/S0010-2180(03)00157-3

[37] Эшкрафт Р.В., Раман С. и Грин У.Х. «Ab Initio Водная термохимия: применение к окислению гидроксиламина». в растворе азотной кислоты», Journal of Physical Chemistry B , Vol.111, № 41, 2007 г., стр. 11968–11983. doi: https://doi.org/10.1021/jp073539t

[38] Декер М.М., Кляйн Н., Фридман Э., Леверитт С.С. и Войцеховски Дж.К., «Жидкие пороха на основе HAN: физические свойства», США Армейская техника. Представитель BRL-TR-2864, 1987.

[39] Спанджерс Г.Г., Лотспеич Дж.С., Макфолл К.А. и Споры Р.А., «Потери топлива из-за выброса твердых частиц в импульсном плазменном двигателе», Journal of Propulsion and Power , Vol. .14, № 4, 1998, стр. 554–559. doi: https://doi. org/10.2514/2.5313

[40] Антонсен Э.Л., Бертон Р.Л., Рид Г.А. и Спанджерс Г.Г., «Влияние температуры поверхности после импульса на работу микроимпульсного плазменного двигателя», Journal of Propulsion and Мощность , об. 21, № 5, 2005 г., стр. 877–883. doi: https://doi.org/10.2514/1.13032

[41] Glascock MS, Rovey JL, Williams S. и Thrasher J., «Наблюдение за поздней абляции в электрических твердотопливных импульсных микродвигателях», 52-я Совместная конференция AIAA/SAE/ASEE по двигателям , документ AIAA 2016-4845, 2016 г.doi: https://doi.org/10.2514/6.2016-4845

Можем ли мы оптимизировать дуговой разряд и лазерную абляцию для контролируемого синтеза углеродных нанотрубок? | Наноразмерные исследовательские письма

Введение

Углеродные нанотрубки (УНТ) являются одним из самых захватывающих и очаровательных наноматериалов двадцать первого века [1] со многими привлекательными физико-химическими свойствами, такими как высокие механические свойства (упругость ~ 1 ТПа и предел прочности при растяжении 500 ГПа), термостабильность (>700 °С) и электропроводность (3000–3500 Вт·м ^–1 К ^–1 ) [2–4]. С тех пор, как материал, впервые определенный Иидзимой [5] в 1991 году, УНТ продемонстрировали великолепный рост во многих дисциплинах, включая полимеры и композиты [6], проводящие кабельные волокна и термопласты [7], носители для хранения водорода [8], биомедицинские науки [9]. , автоэмиссионные устройства [10], восстановление окружающей среды [11–13], электрохимия и наносенсоры [14, 15], массивы наноэлектродов или микрочипы [16, 17], оптоэлектронные устройства [18], носители катализаторов [19, 20] и многие другие [21, 22]. Недавно ученые Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и другие исследователи изучили возможность золотой лихорадки для применения УНТ в аэрокосмических исследованиях, особенно для улучшения радиолокационного поглощения.УНТ были исследованы для изготовления космического лифта, корпуса самолета, гибкого автомобиля; портативный рентгеновский аппарат и светодиодный (LED) дисплей различных крошечных устройств и были получены вдохновляющие результаты [23]. Материалы пользуются большим спросом в нынешнем столетии, и ожидается, что с годами он будет расти по спирали.

Хотя синтез УНТ считается зрелой технологией, каждый год он продолжает приносить сотни публикаций и патентов наряду с новой методологией. Голнаби [24] сравнил общее количество опубликованных статей и патентов за период 2000–2010 гг.За этот период годовой прирост исследований CNT составил 8,09% для бумаги и 8,68% для патентов на разных языках и увеличивается с каждым днем. Новые и инновационные области применения этих материалов быстро расширяются, чтобы удовлетворить текущие и будущие потребности.

Хотя многие методы, такие как дуговой разряд (AD) [25], лазерная абляция (LA) [26], химическое осаждение из паровой фазы (CVD) [27], электролитический [28], гидротермальный [29] и темплатный [30] были задокументированы с течением времени, AD, LA и CVD являются наиболее широко используемыми методами производства УНТ.Однако каждый из них имеет как преимущества, так и недостатки. Во-первых, основным преимуществом метода AD является производство большого количества УНТ, и они имеют меньше структурных дефектов, чем те, которые производятся низкотемпературными методами, например, CVD. Большинство синтезированных УНТ при БА являются совершенно прямыми по сравнению с УНТ изогнутого типа, полученными методами CVD [31]. Но основным недостатком АД является его слабое влияние на выравнивание УНТ (т.е. хиральность), что важно для их характеристики и применения [32].Кроме того, необходима очистка полученных УНТ, так как для их применения необходимо удалить металлический катализатор и аморфный углерод [33, 34]. Во-вторых, основное преимущество метода LA заключается в том, что в УНТ образуются относительно низкие металлические примеси по сравнению с AD, поскольку вовлеченные атомы металла имеют тенденцию испаряться с конца УНТ после его закрытия. Но главный недостаток ЛА состоит в том, что полученные УНТ не являются однородно прямыми, а содержат некоторые разветвления.Метод ЛА экономически невыгоден, так как процедура требует стержней из графита высокой чистоты и требует больших мощностей лазера, а количество УНТ, которое можно синтезировать в день, не так велико, как метод АД [32]. Наконец, по сравнению с ЛА, CVD является экономически практичным методом крупнотоннажного и достаточно чистого производства УНТ. Метод также прост в контроле за ходом реакции. Но большинство УНТ, полученных с помощью CVD, являются более структурно дефектными, чем полученные методами AD или LA [35].

Здесь мы делаем акцент на AD и LA, поскольку большинство исследователей часто упускали из виду возможности этих двух методов, чтобы отдать приоритет ССЗ. Большинство УНТ, полученных с помощью CVD, представляют собой многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ), и они пронизаны дефектами. Также трудно контролировать их хиральность и диаметр. Такие УНТ не подходят для изготовления промышленных изделий, например оптоэлектроники и светодиодных дисплеев. Поскольку промышленные потребности в одностенных углеродных нанотрубках (ОУНТ) растут день ото дня, необходимо срочно решить множество загадок, путаниц и непонимания методов АД и ЛА для оптимизации выхода УНТ.До сих пор остается неясным правильное понимание механизма роста УНТ [36]. Обширный поиск литературы подтверждает, что огромный объем литературы включает несколько книг и обзоров, описывающих синтез УНТ различными путями [37–47]. Однако мы обнаружили, что большинство из них излишне многословны и не дают четкого представления о методах AD и LA. Большинство из них имели дело с одним методом, оставляя потенциальным читателям ловушку для понимания других. Здесь мы минимизируем текстовое обсуждение и прибегаем к таблицам, иллюстрациям и рисункам, чтобы четко отображать обновления и глубокие знания об экспериментальных попытках AD и LA.В разделе «Механизм роста УНТ» мы описываем новые механизмы роста УНТ и предлагаем некоторые подсказки для контроля роста. Конструкции реакторов и экспериментальные доказательства оптимизации процессов AD и LA критически обсуждаются в разделах «Рост CNT в AD» и «Рост CNT в LA» соответственно. Ограничивающие скорость шаги каждого метода выделены здесь из-за их роли в настройке процесса роста. В разделе «Хиральный контролируемый синтез УНТ с использованием AD и LA» показано, как контролировать хиральность УНТ с использованием AD и LA. Будущая дорожная карта по изучению методов синтеза УНТ также изложена в разделе «Выводы».

Механизм роста УНТ

Все распространенные методы синтеза УНТ, такие как AD, LA и CVD, требуют одинаковых катализаторов для выращивания УНТ. Следовательно, они могут иметь общий механизм роста. Фактический механизм роста не ясен, и это остается дискуссионным вопросом среди ученых. Хотя было предложено несколько механизмов [48–55], детальный механизм реакции, приводящий к образованию УНТ, до сих пор четко не решен.Как правило, на протяжении многих лет были задокументированы два основных пути, а именно модель роста основания [56] и модель роста вершины [57]. Общий процесс включает три основных этапа: (i) углеродное сырье подается на поверхность катализатора для получения фуллеренов в качестве промежуточного продукта, (ii) скут (мелкие углеродные фрагменты, такие как C ₂ и C ₃ ) образуется при разложении углеводородов. нагреванием и впоследствии осаждается на поверхности катализатора, и (iii) наконец, нанотрубка растет до тех пор, пока металл полностью не покроется избыточным углеродом, ее каталитическая активность прекратится, и рост УНТ остановится.

Недавно Нессим [58] предложил режим роста УНТ как методы «рост на месте» и «рост затем на месте». В режиме роста на месте нанотрубка синтезируется на границе раздела катализатор–подложка. CVD обычно используется для этого. Преимущества режима роста на месте включают (i) контроль и настройку положения УНТ на точках катализатора, (ii) возможности для вертикально ориентированных УНТ (VACNT), (iii) хорошее физическое взаимодействие с подложкой и (iv) быстрый рост. С другой стороны, в режиме «рост, затем размещение» УНТ получают с помощью AD и LA (методы синтеза УНТ без подложки).Затем синтезированные трубки отделяют друг от друга в виде ОУНТ или малостенных углеродных нанотрубок (FWCNT) или MWCNT, а отдельные нанотрубки очищают и переносят на заранее определенную область целевой подложки. Было обнаружено, что для осаждения УНТ на подложку эффективны различные методы, такие как диэлектрофорез [59], литография [60] и переменные электрические поля. Основными преимуществами режима выращивания с последующим размещением являются (i) простой процесс, (ii) отсутствие требований / низкая температура и (iii) селективность, чистота, изготовление и простота функционализации. К основным недостаткам метода относятся скомпрометированная надежность и сложный механизм переноса УНТ в определенные области подложки.

Чтобы лучше понять рост УНТ, разные исследователи предложили разные способы синтеза УНТ. Наглядная иллюстрация для быстрого и всестороннего понимания различных механизмов роста УНТ показана в дополнительном файле 1: рисунок S1. Он отображает множество маршрутов, таких как (i) модель винтовой дислокации (SDL) [61]; (ii) ткачество модели коврика [62]; (iii) выращивание УНТ по мере деформации металлических частиц и границы раздела С-металл [63]; (iv) зарождение и рост МУНТ [63]; (v) зарождение и рост ОУНТ [63]; (vi) карбидная фаза роста ОУНТ внутри МУНТ в виде гибрида [64]; (vii) весьма правдоподобный сценарий роста образования ОСУНТ и МУНТ, катализируемый металлическими частицами [64]; (viii) образование гексагональных и пентагональных колец посредством взаимодействий металл-углерод [65]; (ix) парожидкостно-твердый (ПЖС) механизм роста ОУНТ [66]; (x) твердо-жидкостно-твердое (SLS) механизм зарождения и роста ОУНТ [67]; (xi) механизм зарождения ОУНТ из металлического кластера [66]; (xii) влияние скорости введения углерода на процесс роста [66]; (xiii) циклодегидрирование молекул-предшественников концевых кэпов ОУНТ и последующий рост УНТ [68]; (xiv) способ диффузии углерода [69]; (xv) холм, нанополость и оболочка толщины модели роста корня [70]; (xvi) способ воздействия роста ОУНТ на металлический катализатор [71]; (xvii) рост ОУНТ и выбор хиральности, индуцированные добавлением одного атома углерода и димера C ₂ в условиях без катализатора [72]; (xviii) пар–твердое–твердое (VSS) [73]; (xix) циклопарафенилены как матрицы для быстрого образования УНТ [74, 75]; (xx) диффузия поступающих углеродных частиц на наночастицы [76]; (xxi) механизм роста ориентированных углеродных нанотрубок [77]; и (xxii) модель провод-трубка в безкаталитическом методе CVD [78].

Недавно Мохаммад [70] попытался разработать девять основных правил, управляющих механизмами роста УНТ. Автор использовал теоретические модели с экспериментальными данными для изучения, в частности, VACNT распределений узкой хиральности. Таким образом, было показано, что высокоэнергетические центры (HET) каталитического агента чужеродного элемента (FECA) и наночастицы субстрата (SUBSANO) определяют каталитический распад предшественников источника углерода (Rs), которые должны быть нестабильны под влиянием HET ( правило 1).Наночастицы (катализатор и субстрат) регулируют диффузию поступающих видов Rs двумя путями, такими как объемная и поверхностная диффузия (правило 2) (дополнительный файл 1: рисунок S1 (XX)). Оболочка УНТ, которая создается путем диффузии частиц Rs к периферийной поверхности, сопровождается объемной диффузией частиц R _S через каплю. При дальнейшей посадке Rs на наночастицы преобладала оболочка (правило 3). Наночастицы с более высокой поверхностной энергией, чем частицы Rs, были необходимы для диффузии частиц Rs с низкой поверхностной энергией до высокой периферийной поверхностной энергии наночастиц. Он пассивирует оборванные связи на поверхности и в конечном итоге стимулирует дальнейший рост нанотрубки (правило 4). Диффузия частиц Rs на наночастицы контролируется морфологией оболочки, такой как пористость. Гомогенные поры с плавной диффузией могут быть получены путем оксигенации. Он стимулирует сборку атом за атомом небольших углеродных фрагментов для зародышеобразования УНТ (правило 5). В дополнение к пористости для лучшего роста нанотрубок важны предварительно насыщенные растворимые формы Rs, однородные в оболочке наночастицы (правило 6).Процент растворимости был выше для Fe, Ni и Co, чем для Au, Pd и Re оболочек. Поверхностные атомы наночастиц и межатомные взаимодействия между наночастицами и объемными атомами создают на их поверхности стрессовую среду [79]. Эта энергия поверхностного напряжения обеспечивает рост нанотрубок с узким хиральным распределением. Оболочка должна иметь равномерное распределение напряжения на поверхности, которое разделяет частицы R _S на периферийные пространства наночастиц (правило 7). Правило 8 определяло размеры ножек оболочки по скорости и типам роста УНТ.Наночастицы с малой шириной оболочки показали наибольшую растворимость частиц R _S в оболочке наночастиц. Меньшая толщина стенки нанотрубки при одинаковой ширине оболочки позволила увеличить скорость роста в направлении ОУНТ > двухстенные УНТ (ДУНТ) > МУНТ > МУНТ. Наконец, скорость роста УНТ (GN) на поверхности наночастиц уменьшается с увеличением обратной температуры T [например, log (GN)/1/T ¹ ] (правило 9). Это связано с контролирующим поведением температуры на проницаемости частиц R _S в скорлупе [76].

Однако мы считаем, что одного механизма недостаточно для роста всех нанотрубок разного диаметра, длины и хиральности. Способы настройки атомного масштаба еще предстоит разработать. Процесс настройки может быть связан с формой катализатора, химическим составом, морфологией, текстурой и некоторыми другими факторами. Еще предстоит решить проблемы с добавлением небольших углеродных фрагментов, называемых scoot, на концах нанотрубок. В некоторых статьях сообщалось, что добавление мономерных и димерных углеродных фрагментов к кончикам растущих нанотрубок способствует процессу роста.Однако, насколько нам известно, точная природа такого механизма еще не установлена. Выращивание гибрида или смеси УНТ долгое время было проблемой. Отделение чистых УНТ, особенно ОУНТ, от их смесей является сложной задачей, поскольку они имеют много общих черт с МУНТ, что делает традиционные методы разделения неэффективными. Если бы мы могли контролировать добавление одного атома углерода к перетяжке нанотрубок, можно было бы изменить их свойства, необходимые для объемных применений.Например, мы можем управлять их электронными свойствами, изменяя их хиральный угол, который может превратить металлические нанотрубки в полупроводниковые свойства, которые мы выделяем в разделе «Хиральный контролируемый синтез УНТ с использованием AD и LA». Особое внимание следует уделить контролю диаметра и угла хиральности, поскольку эти параметры определяют металлические, полупроводниковые или запрещенные свойства синтезированных УНТ. С другой стороны, количество образовавшихся стенок, за которыми следует их сила укладки, может потребовать MWCNT.Мы считаем, что полное понимание роли катализатора в росте нанотрубок позволило бы раскрыть оба явления и предложило бы программируемый надежный путь для синтеза структурно однородных УНТ, которые часто важны для специализированных приложений.

Обширное литературное исследование показывает некоторые пробелы в исследованиях, противоречивые гипотезы и проблемы, которые могут быть рассмотрены для понимания лучших механизмов роста и должны быть исправлены для увеличения выхода УНТ с желаемыми свойствами.Во-первых, спорное понимание катализатора металлических наночастиц во время роста УНТ заключается в том, остаются ли они в твердом или жидком/расплавленном состоянии, является ли диффузия углерода в металле объемной диффузией или поверхностной диффузией, является ли фактическим катализатором роста УНТ чистый металл или карбид металла и др. [80]. Гавилле и др. В работе [81] предложен механизм базового роста УНТ, учитывающий объемную диффузию углеродных частиц через объем металла при температуре (T) ниже температуры эвтектики (T _E ) каталитического эвтектического сплава в процессе роста . Большая часть УНТ росла в прошлом, когда T < T _E поднимали вопрос, как могла происходить объемная диффузия при T < T _E? Мог ли вообще образоваться для этого эвтектический сплав при Т > ТЕ — в нарушение правил образования эвтектического сплава? [76] Существующие механизмы роста никогда не могли быть объяснены этим сценарием и оставались непрозрачными. Во-вторых, нет ранее опубликованного объяснения, чтобы расширить наши знания о том, где и как активные частицы R _s создаются из их предшественника/источника и зародышеобразования для формирования стенки УНТ на поверхности катализатора.Использование просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) in situ в атомном масштабе [82] во время процесса реакции, безусловно, может помочь в наблюдении и понимании процесса зародышеобразования. В-третьих, хорошо известно, что диффузия углерода будет происходить после роста основания или механизма роста корней, если осаждение УНТ не сможет вытолкнуть металлическую частицу вверх (особенно в случае, когда наночастица катализатора прочно прикреплена к подложке). Поскольку на поверхности наночастицы, которая была получена на ранней стадии реакции, есть крышка, она будет блокировать проникновение частиц углерода на поверхность наночастицы для дальнейшего зародышеобразования.Таким образом, Gohier et al. [83] утверждали, что и рост основания, и рост кончика могут происходить на одной и той же наночастице, сформированной на одной и той же подложке. Это предполагает, что адгезия подложки к наночастицам, вероятно, не является реальной причиной базового роста УНТ. Наконец, отсутствуют опубликованные исследования, посвященные раскрытию вклада различных размеров и форм катализатора наночастиц в рост нанотрубок. Поскольку металлический катализатор может быть зернистым, островковым, карманным или пятнистым из-за воздействия температуры, они могут иметь различную форму и размер.Мацубара и Камия [84] заметили, что колебания атомов в наночастице более анизотропны и намного больше на верхней поверхности, чем внутри нее. При высокой температуре поверхность наночастиц проходит несколько стадий беспорядка. Вклад этих беспорядков в подрешетку может оказывать положительное и/или отрицательное влияние на диффузию углерода на неупорядоченную поверхность катализатора. Поэтому катализатор может быть кристаллическим, полукристаллическим и некристаллическим в зависимости от температуры роста.Основываясь на этих гипотезах, можно провести будущие исследования для настройки форм наночастиц, которые могут определить общую хиральность и диаметры УНТ, созданных методами AD, LA и CVD.

Рост УНТ в н.э.

н.э. — это распространенный и простой метод синтеза УНТ, который изначально применялся для синтеза фуллеренов. Метод синтезирует УНТ [85–88] со смесью компонентов, таких как углеродсодержащие частицы и металлические катализаторы, поэтому очистка продукта является обязательной [89].Принцип метода АД схематически изображен на рис. 1. В этом методе большой ток (50–100 А) подается через два графитовых электрода — анод и катод в закрытой камере. Плазма инертного газа поджигается при высокой температуре (>1700°С) и низком давлении (50–700 мбар) в камере. Два графитовых электрода со средним диаметром около 6–12 мм располагаются лицом к лицу с зазором 1–4 мм [90, 91]. Подаваемый ток образует мелкие углеродные фрагменты, разрушая графитовые углеродные сети в электроде положительного анода.Затем фрагменты одновременно осаждаются на отрицательном катодном электроде. Таким образом, длина отрицательного анода уменьшается с инициированием образования УНТ на положительном электроде катода [92]. Таким образом, длина и состав анода прямо пропорциональны образованию УНТ на катодном электроде. Атомы углерода испаряются под действием высокой температуры и давления и выделяются из анодного графитового стержня в виде небольшого углеродного кластера (C ₃ /C ₂ ) [90].Впоследствии этот кластер осаждается на предшественнике или на металлической поверхности катализатора на поверхности катодного электрода и перестраивается в структуру УНТ, подобную микротрубочкам. Однако образование желаемых УНТ (либо ОУНТ, либо МУНТ) в значительной степени зависит от типа инертного газа, температуры, тока и катализаторов, используемых в разрядной камере, что мы выделяем в конце раздела «Технические принципы оптимизации выхода УНТ». .

Рис. 1
Схема установки АД для синтеза ОУНТ и МУНТ
Технические принципы оптимизации выхода УНТ
Синтез чистых ОУНТ весьма востребован, поскольку они имеют широкое применение в области электроники и биомедицины [93, 94].Для синтеза этой специальной трубки методом АД анод пропитывают различными металлическими катализаторами, которые не требуются для синтеза МУНТ (рис. 1). Анодный композит определяет основную морфологию ОУНТ, поскольку он содержит либо один металл (Fe, Co, Al, Ag, Mn, Mg, Pt, Pd, Ni и т. д.), либо металлокомпозит (Mg–Ni, Fe–Co). , Ni–Ti, Co–Au и др.) [95, 96].
Iijima и Ichihashi [86] и Bethune et al. [87] впервые синтезировали ОУНТ методом АД. Сайто и др. В работе [97] использовались катализаторы Ru, Pd, Rh, Os, Ir и Pt, причем Pd, Rh и Pt продемонстрировали хорошую каталитическую активность с выходом ОУНТ более высокого качества.Таким образом, как рост, так и качество синтезируемых УНТ зависят от конкретного металлического катализатора, используемого в реакционном сосуде. Помимо металлических катализаторов, в синтезе ОУНТ широко применяются также металлооксидные катализаторы (Y ₂ O, C _e O ₂ , La ₂ O ₃ ) [98]. Чжао и его коллеги (2010) разработали эффективный и экономичный метод с использованием древесного угля в качестве основного источника углерода и FeS в качестве катализатора. ОУНТ диаметром 1,2 нм были синтезированы в большом количестве с использованием этой угольной подложки.Этот метод снизил стоимость исходных материалов примерно в десять раз [99]. Эта группа также использовала битумно-угольную подложку и смеси катализаторов Ni-Y и получила умеренные выходы ОУНТ диаметром 1,2–1,7 нм [100]. УНТ наблюдались даже в отсутствие металлических катализаторов, когда в качестве субстрата использовался пиритсодержащий уголь. Вероятно, загрязненный металл, изначально присутствующий в колчеданном угле, мог выступать дополнением к постороннему катализатору. Мути и др. [47] подробно рассмотрели синтез УНТ на основе угля с использованием AD, термического и плазменного осаждения CVD.
Недавно Xu et al. представили другой экономически эффективный метод. [101]. Эта группа синтезировала ОУНТ, УНТ с двойными стенками (УНТ) и УНТ с тройными стенками (ТУНТ) из асфальтового субстрата — распространенного источника углерода, встречающегося в природе. В другом эксперименте Xu et al. [102] использовали электрод из нефтяного кокса в качестве анодного источника углерода, который смешивали с порошком Fe (1:2) для синтеза как ОУНТ (диаметром 1,0–1,6 нм), так и ДУНТ (диаметром 3,0–4,4 нм) в соответствии с N _{. 2} , He и давление газа Ar 0.04–0,05 МПа. Преобразование нефтяного кокса в ОУНТ с высокой добавленной стоимостью показало уникальную возможность использования других дешевых источников углерода в качестве основного углеродного сырья, что может снизить общую стоимость производства как ОУНТ, так и ДУНТ в коммерческих помещениях.
Синтез ОУНТ с контролируемым диаметром, которые обладают превосходными физико-химическими свойствами, часто является сложной задачей. Температура играет решающую роль в этом предприятии, поскольку она вызывает конденсацию металлов и атомов углерода между окружающей плазмой и катодным электродом и, таким образом, контролирует диаметр нанотрубки в реакционном сосуде.Используя аргон с более низкой теплопроводностью, Farhat et al. [103] получили ОУНТ меньшего диаметра (1,2 нм). Диаметр уменьшался на 0,2 нм на каждые 10% увеличения соотношения аргона и гелия при использовании «C:Ni» и «C:Y» в соотношении 94,8:4 и 94,8:1 соответственно. Следовательно, изменение температуры вызывает изменение соотношения Ar:He, что может привести к изменению морфологии нанотрубок. Температура изменяет рост нанотрубок, так как напрямую влияет на срок службы катализаторов. Другим механизмом управления морфологией ОУНТ является регулирование расстояния между электродами анода и катода.Он регулирует поток и увеличивает скорость разложения анода с последующим увеличением производства ОУНТ. В методе CVD некоторые металлические катализаторы, такие как Co, Mo и Ni, используются для синтеза ОУНТ малого диаметра (0,6–1,2) [98]. Применение таких катализаторов в методе АД также приводит к получению ОУНТ с аналогичными характеристиками [98]. Эти диаметры значительно меньше нормального диаметра (1,2–1,4 нм) ОУНТ [104]. В дополнение к контролю диаметра устойчивые к окислению ОУНТ часто являются предпочтительным материалом в области оптоэлектроники.Хуанг и др. [105] значительно улучшили метод АД с использованием чашеобразного катода для синтеза ОУНТ с высокой устойчивостью к окислению и меньшим уровнем дефектов (рис. 2). Магнитное поле также может применяться для контроля диаметра ОУНТ в камере AD [106, 107]. Йокомичи и др. [108] применили сильное магнитное поле (10 Тл) для контроля диаметра ОУНТ (1,3 нм с магнитными полями и 0,8 нм без магнитных полей) и увеличили скорость осаждения.
Рис. 2
Схематические чертежи установки электродов для a a обычного и b новых электродов AD с чашей.Рисунок адаптирован с разрешения Американского химического общества [105]
.
Метод углеродного AD дает нечистые ОУНТ, смешанные с углеродсодержащими частицами, такими как фуллерен, МУНТ, МУНТ, графитовые полиэдры, нечистая зола, металлические катализаторы и аморфный углерод [109]. Для устранения примесей можно применять несколько методов, таких как влажное окисление, кислотная и термическая обработка, отжиг, фильтрация, ультразвуковая обработка и очистка газа для получения высококристаллических ОУНТ [46].Чон и др. [110] синтезировали ОУНТ методом АД и очищали их термической и кислотной обработкой. Высококристаллические ОУНТ с превосходными характеристиками наблюдались после тщательной очистки. Таким образом, синтез чистых, бездефектных и высококристаллических ОУНТ до сих пор остается технологической задачей.
Синтез малостенных и двустенных углеродных нанотрубок (Ф/ДУНТ) аналогичен синтезу ОУНТ, но более сложен [111]. Процесс в гораздо большей степени зависит от факторов роста, смешанных в реакционном сосуде.Несколько успешных проектов по синтезу F/ДУНТ представлены в разделе LA. Интересно отметить, что ДУНТ с высокой чистотой и выходом (4 г/ч) также могут быть синтезированы из МУНТ вместо графитового порошка [112].
Вероятно, метод углеродного AD является самым простым способом получения МУНТ при условии соблюдения надлежащих условий роста. Игольчатые МУНТ были впервые синтезированы Иидзимой [5] с использованием метода AD-испарения с постоянным током в сосуде, заполненном аргоном, под давлением 100 Торр.Размер трубки составлял 4–30 нм в диаметре и 1 мм в длину. Однако чистые МУНТ с высоким выходом трудно получить с помощью AD из-за влияния различных параметров, таких как атмосфера, ток и состав электрода; плазма и давление используются в реакционной камере. Различные факторы реакции могут изменить морфологию конечных продуктов УНТ [113]. Обширные экспериментальные данные синтеза МУНТ по методу AD были предоставлены Shimotani et al. [114] в четырех различных атмосферах (He, CH ₃ CH ₂ OH, CH ₃ COCH ₃ и C ₆ H ₆) при давлении 50–500 Торр. Атмосферы CH ₃ CH ₂ OH, CH ₃ COCH ₃ и C ₆ H ₆ увеличивают производство МУНТ в два раза по сравнению с атмосферой He. Вероятно, разложение CH ₃ CH ₂ OH, CH ₃ COCH ₃ и C ₆ H ₆ под действием высокого давления и температуры способствует образованию свободных атомов углерода и водорода, которые синтезируют кластер МУНТ на электронно-лучевая трубка [46]. В плазменном вращающемся АД внутренняя плазма циркулирует в реакционной камере.Вращающая сила распределяет и ускоряет атомы углерода в паре и ускоряет их по направлению к сборке нанотрубок. Однако недавние исследования показали, что влияние высокого давления более заметно, чем газовая атмосфера, при синтезе МУНТ. Кота и др. [115] использовали разные давления He (80–600 Торр). Самый высокий процент МУНТ был обнаружен при 450 Торр из-за его высокой скорости испарения в анодном электроде. Они также предложили метод получения высококристаллических МУНТ на графитовом электроде высокой плотности. Такая нанотрубка может открыть новые возможности в области очистки воды, поскольку УНТ могут создавать мембрану УНТ, которая действует как полая трубка для транспортировки воды в нее и одновременно отталкивает несколько загрязняющих веществ в воде [116]. Интересно отметить, что Ким и др. [117] синтезировали отводы из МУНТ (73 % кристаллических, 10 нм в диаметре, 2,3 мкм в длину) с использованием подвижного графитового анода и вращающегося высокорезистивного катода в условиях стабильной дуги. Такая трубка может быть использована для легкого и контролируемого приготовления токопроводящих пластиковых композиционных материалов.Хотя DC AD обычно используется в качестве источника тока, на практике также применяются импульсные методы. Используя импульс длительностью 0,2 мкс, Parkansky et al. [118] синтезировали МУНТ диаметром 10 нм и длиной до 3 нм.
AD между двумя электродами из чистого графита без каких-либо металлических катализаторов дает окончательную структуру МУНТ. Его морфология во многом зависит от гомеостатической среды реакционного сосуда. Жидкий азот как атмосферный газ эффективно работает [119, 120] с точки зрения высокой чистоты и выхода.Процедура экономична, так как не требует высокого давления и дорогих инертных газов. Метод вращающейся плазмы полезен для увеличения выхода [121]. Он предполагает равномерное распределение разрядов, что позволяет стабилизировать плазму в большом объеме. Различные атмосферные газы имеют разные диффузионные способности, которые могут влиять на зарождение углеродных кластеров на катодном электроде. Это создает равномерную теплопроводность, которая помогает выращивать МУНТ равномерно с различными слоями, диаметрами и распределением по размерам в зависимости от скорости коэффициента диффузии окружающей плазмы в разрядном реакционном сосуде.
Чтобы помочь потенциальным читателям понять целостный подход к производству SWCNT, FWCNT и MWCNT с использованием метода AD, здесь мы собираем некоторые основные результаты, как показано в таблице 1. Как показано в таблице 1, ясно, что использование катализаторов является обязательным для синтеза как SWCNT, так и FWCNT, тогда как MWCNT можно получить без катализатора. Три катализатора, такие как Fe, Ni и Co, широко используются с другими активаторами катализатора в форме би(три)металлических наночастиц. Хотя наночастиц Fe достаточно для производства SWCNT, добавление серы оказалось важным для производства FWCNT.Это может быть связано с влиянием серы на образование ядра/оболочки на катоде, которые могут иметь разные точки плавления, и это ядро/оболочка может способствовать росту FWCNT [122]. Гелий и аргон являются широко используемыми газами для производства ОУНТ, тогда как водород и аргон оказались популярными для производства ОУНТ (таблица 1). Но мы не рекомендуем использовать чистый водород, так как замечаем, что он неблагоприятен для массового производства Т/УНТ из-за нестабильности АД-плазмы [123]. Для производства МУНТ обычно используются гелий, воздух и водород (таблица 1).Водород более подходит, потому что он обладает высокой теплопроводностью, а использование водорода может обеспечить высокую чистоту УНТ, поскольку он может восстанавливать аморфный углерод, образуя с ними углеводород [124]. Таблица 1 также показывает, что использование гелия и аргона подходит для получения высококачественного и длительного производства УНТ. Средний диапазон давления для выхода УНТ, показанный в таблице 1, составляет от 200 до 500 Торр, но зависит от природы газов. Давление необходимо для обеспечения энергией молекул газа и действия в качестве стенки для устойчивого потока ионов между электродами АД.Для гелия обычно требуется более высокое давление (500 Торр), чем для монооксида углерода, аргона и водорода. Обнаружено, что при давлении ниже 300 Торр выход очень низок, поскольку плотность ионов будет уменьшаться при более низком давлении, что может привести к нестабильности AD-плазмы. С другой стороны, при высоком давлении в плазме участвует больше ионов, что ограничивает движение паров углерода от анода к катоду и снижает выход УНТ. Как видно из таблицы 1, средняя плотность тока используется в АД от 50 до 200 А.Самая высокая плотность тока может дать лучший выход S/FWCNT, тогда как самая низкая плотность тока может дать толстые и длинные MWCNT. Однако нет убедительных доказательств того, что регулирование плотности тока может обеспечить высокое качество УНТ, и поэтому существует острая необходимость установить сильную корреляцию между оптимальными уровнями тока и образованием нанотрубок.
Таблица 1 Параметры реакции для оптимизации выхода УНТ с использованием метода AD
Качество УНТ и скорость их производства в AD зависят от нескольких факторов, таких как подача энергии, прекурсоры углерода, атмосферные газы, типы катализаторов, давление газа и, наконец, температура.Здесь мы выделяем один за другим в последующих абзацах, чтобы потенциальные читатели могли оптимизировать желаемый выход УНТ, используя метод AD.
Во-первых, источник питания необходим для создания электронного разряда, который в конечном итоге контролирует температуру плазмы. Чтобы генерировать дугу между электродами, большинство исследователей использовали как источник питания переменного, так и постоянного тока. На рисунке 3а представлена популярность переменного, постоянного тока и импульсной дуги для производства УНТ. Как показано на рис. 3а, несмотря на то, что источник питания постоянного тока широко используется, большую часть времени ионизированный газ в реакционной камере может дрейфовать к катоду и препятствовать осаждению ионов углерода на поверхности катода.Это можно преодолеть, используя переменный ток и/или импульсный AD. Было показано, что AC образует углеродные отложения на стенке камеры вместо катода [125], и для этого нет установленной причины, и он остается открытой областью для будущих исследований. Однако основным недостатком питания дуги переменного тока является низкий выход УНТ. Наше мнение — использование импульсной дуги, так как они более энергичны и могут быть благоприятны для производства УНТ. Этот энергетический импульс может непрерывно бомбардировать анод, что приводит к более высокой энергии электронов, что может увеличить выход [126].
Рис. 3
Круговая диаграмма, показывающая процент опубликованных работ по AD-опосредованному синтезу УНТ с использованием источников питания a , прекурсоров углерода b и атмосфер c . Рисунок изменен и перепечатан с разрешения Elsevier [128]
.
Электропитание также зависит от напряжения, которое обычно прикладывается между 15 и 30 В к электродам, которое должно поддерживаться постоянным для стабильной плазмы. Методом AD было показано, что внезапные изменения напряжения могут формировать не прямые, а бамбуковые УНТ [127].В дополнение к напряжению ток дуги показал прямое влияние на скорость производства УНТ. В большинстве литературных источников для абляции анода указан фиксированный нефлуктуирующий ток около 50–100 А. Но Кадек и др. [128] утверждали, что плотность тока должна быть зафиксирована в диапазоне 165–196 А/см ², чтобы увеличить выход УНТ.
Во-вторых, выбор подходящего прекурсора углерода в AD очень важен для регулирования качества, особенно чистоты УНТ. Как показано на рис. 3b, в большинстве опубликованных работ в качестве прекурсора углерода используется графит, возможно, из-за его превосходной тепло- и электронной проводимости, а также доступного на рынке в чистом виде.Хотя некоторые ученые использовали технический углерод из-за его природного содержания, мы считаем, что этого следует избегать, поскольку технический углерод содержит аморфный углерод, который может добавлять примеси в конечный продукт УНТ. Помимо сажи, было обнаружено, что уголь идеально подходит для синтеза FWCNT. Было показано, что сера в угле ускоряет рост МУНТ и влияет на распределение диаметра производимых УНТ [129]. Хотя использовались некоторые другие второстепенные источники углерода, такие как фуллерен [130], шинный порошок [131] и углеводороды [132], их вклад в производство УНТ требует дальнейшего изучения и изучения.
В-третьих, как показано на рис. 3в, наибольший процент исследований, проведенных АД в присутствии таких газов, как гелий, водород и аргон. Здесь мы суммируем влияние этих трех газов на производство УНТ, а также показываем влияние азота на скорость роста нанотрубок, контроль диаметра, чистоту и типы УНТ, как показано на рис. 4. Танг и др. [133] утверждали, что быстрый запуск водорода может препятствовать закрытию концов нанотрубки. Вот почему большинство ученых могут использовать водород в смеси с благородным газом, таким как аргон или гелий, для стабилизации плазмы.Вместо газов добавляют некоторые жидкости, например, деионизированную воду и солевой раствор, которые используются, как показано на рис. 3c. Некоторые авторы [134] использовали раствор NaCl из-за его хорошей проводимости и более низкой стоимости по сравнению с газами водорода, азота и гелия, но его вклад в получение высококачественных УНТ был неудовлетворительным.
Рис. 4
Влияние обычных газов, используемых в производстве УНТ методом AD. Прямые и пунктирные линии обозначают положительные и отрицательные эффекты соответственно. Пересечения линий указывают на синергетические эффекты
В-четвертых, наночастицы катализатора являются основным параметром для производства УНТ.Обширное литературное исследование подтверждает, что большинство широко используемых катализаторов представляют собой Ni, Fe и Co. Иногда эти катализаторы используются вместе с другими катализаторами в качестве промоторов. Здесь мы иллюстрируем влияние некоторых распространенных катализаторов на рост УНТ, контроль диаметра, чистоту и типы, как показано на рис. 5. Согласно таблице 1, существует множество би(три)металлических катализаторов, которые используются для желаемых УНТ. производство. Но следует иметь в виду, что размер УНТ обычно зависит от соответствующего размера частиц металлического катализатора.Большинство би- или триметаллических катализаторов могут иметь длительный срок службы катализатора, но размер этого гибрида будет больше. Однако Ni и Fe остаются популярными катализаторами для выращивания высококачественных УНТ. Основным узким местом использования Fe является их преобразование в неактивную форму катализатора, например, Fe ₂ O ₃ . Хотя хорошо известно, что МУНТ были получены в отсутствие катализатора, в нескольких сообщениях было доказано образование МУНТ в присутствии катализатора [135, 136]. Сначала следует оптимизировать концентрацию металлического катализатора, чтобы оптимизировать скорость зародышеобразования.Ван и др. [137] утверждали, что максимальная концентрация Fe в аноде не должна превышать 10% для образования УНТ. Одной из гипотез этого может быть то, что более высокое количество Fe может ограничивать движение углеродных паров к катоду.
Рис. 5
Влияние катализаторов на образование УНТ в методе AD. Прямые и пунктирные линии обозначают положительные и отрицательные эффекты соответственно. Пересечения линий указывают на синергетические эффекты
В-пятых, давление в дуговой камере важно для высвобождения энергии газа и поддержания гомеостатической среды, т. е.е., поток ионов между катодом и анодом. В большинстве опубликованных литературных источников используется давление газа от 300 до 700 Торр [138], которое является эффективным давлением для водорода (500) [139], азота (350) [140], аргона (100) [141], гелия (500) [142], воздух (60 Торр) [143]. В целом можно сделать вывод, что оптимальное давление может быть установлено около 500 Торр для высокого выхода УНТ. Тем не менее, экспериментаторы должны выполнить план эксперимента и оптимизировать эти требования к давлению на основе других факторов, прежде чем установить оптимальное значение.
Наконец, температура является основной движущей силой в ионизации газа и создании плазмы, которая напрямую регулируется плотностью тока. Считается, что синтез УНТ при более высокой температуре может дать более кристаллические УНТ. Более высокая температура (3600–3800 К) может быть достигнута при использовании водородной плазмы, тогда как для аргоновой плазмы требуется от 2200 до 2400 К [138]. Требования к температуре соответствуют тенденции MWCNT> DWCNT> SWCNT, как исследовали Joshi et al. [144]. Хотя более высокая температура может ускорить выход УНТ, она может оказывать альтернативное влияние на контроль диаметра, например.г., уменьшая диаметр ОУНТ [145]. Чжао и др. [146] предположили, что оптимальная температура для образования УНТ составляет 600 °С, за пределами которой их диаметр уменьшается.
В целом, чтобы увеличить выход УНТ с желаемым качеством, вышеуказанные параметры должны быть серьезно пересмотрены, поскольку метод AD не может производить чистые УНТ для крупномасштабного использования. Получение высокого выхода УНТ также зависит от скорости охлаждения, которая также зависит от тока дуги и формы катода, температуры и теплопроводности газов камеры.Как правило, за минуту реакции может быть получено 20–50 мг УНТ, что может быть дополнительно увеличено за счет оптимизации значений тока и давления, диаметров электродов, состава катализатора и атмосферы. Хотя в некоторых источниках достигнут высокий выход УНТ 2–6 г/ч [139, 147], контроль размеров и диаметра нанотрубок по-прежнему остается без ответа.
Рост УНТ в LA
Несмотря на то, что метод AD позволяет использовать подходящие катализаторы и газовые фазы, синтез однородных и чистых ОУНТ остается давней проблемой [88].Поэтому парадигма была смещена, чтобы изобрести другой метод, называемый процессом импульсной лазерной абляции (PLAP) [148] или просто LA, способный производить 500 мг SWCNT за 5 минут с чистотой до 90 % [149]. Основной принцип ЛА очень прост и легок в исполнении. Особенностью этого метода является использование источника света, который отсутствует в процессе AD и был впервые введен Guo et al. [150]. Группа предложила модель (рис. 6) с использованием импульсного лазерного источника ND:YAG (алюминий-иттрий-гранат, легированный неодимом), который используется до сих пор.Установка состоит из реакционной камеры в кварцевой трубке (диаметром 25 мм и длиной 1000–1500 мм), установленной в регулируемой откидной трубчатой печи/духовке. По запросу оператора целевой стержень (либо чистый графит для МУНТ, либо смесь металлического графита для ОУНТ) помещается в среднюю высокотемпературную зону, обычно работающую при 1200 °C. Затем кварцевая трубка герметизируется на выходе насоса. Затем в кварцевую трубку на входной стороне трубки вводят инертный газ или газовую смесь. Регулятор давления на стороне выхода управляется для подачи потока газа в трубу.Затем в кварцевую трубку вводят лазерный источник типа ND:YAG и размещают таким образом, чтобы он непосредственно фокусировался на целевом стержне в середине. Мощность лазера испарила целевой стержень и произвела множество рассеянных частиц углерода. Инертный газ или его составные потоки уносят частицы углерода, чтобы осадить их в коллекторе на выходе из трубы. Прежде чем инертный газ выйдет из трубки, он поступает в водоохлаждаемый коллектор и фильтр для осаждения УНТ. Обычно ND:YAG работает со следующими параметрами (длина волны колебаний составляет 1064 или 532 нм, тепловыделение составляет 300 мДж, частота повторения составляет 10 Гц, полувысота ширины поля (FWHM) <10 нс и диаметр сфокусированного луча на цели. пятно 3–8 мм).
Рис. 6
Схематическое изображение установки LA с использованием лазерной системы ND:YAG. МУНТ и ОУНТ синтезируются, когда целевым стержнем является чистый графит и смесь графитового катализатора соответственно
Принципы проектирования для оптимизации выхода УНТ
В таблице 2 показаны параметры реакции, и путем их проектирования можно увеличить выход УНТ с помощью методов ЛА. Синтез УНТ зависит от многих параметров, таких как состав целевого материала, типы катализаторов и их конкретное соотношение, расход газа [151], давление, температура печи и другие свойства лазера (например,г., тип, длина волны колебаний, теплота, повторение, диаметр пятна и др.). Анализируя события, представленные в таблице 2, можно сделать несколько гипотез. Во-первых, как SWCNT, так и MWCNT могут быть получены, когда в методе LA используются графитовые стержни, легированные катализатором, и стержни из чистого графита соответственно. В целом ЛА может обеспечить более высокий выход ОУНТ с лучшими свойствами и меньшим размером по сравнению с ОУНТ, полученными методом АД. Большинство полученных ОУНТ относительно чисты, чем ОУНТ, произведенные AD.Во-вторых, наиболее часто используемыми катализаторами являются Ni, Co, Fe и Pt, и очень часто существуют промоторы (т.е. смешанные катализаторы) для более высокого выхода ОУНТ. Эффективность катализатора соответствует тенденции Ni > Co > Pt или биметаллического Co/Ni > Co/Pt > Ni/Pt > Co/Cu. Самый высокий выход может быть обеспечен при использовании Ni/Y и Ni/Co. В-третьих, аргон чаще используется в ЛА и подходит для производства ОУНТ. В-четвертых, большая часть давления аблации находится в диапазоне от 200 до 500 Торр. Предполагается, что менее 200 Торр может производить аморфный углерод, а более высокая температура может производить кристаллические УНТ.В-пятых, более высокая температура (>1000 °C) благоприятна для производства УНТ с минимальными дефектами. Температура <1000 °C может вызывать дефекты и снижать выход УНТ. В-шестых, как ND:YAG, так и непрерывная (непрерывная)-CO ₂ лазерная абляция используются чаще, но непрерывная лазерная абляция CO ₂ показала лучшие результаты, чем ND:YAG при более низкой температуре. Энергия солнечного света может быть экономичной, но испарение целевого графита может быть неоднородным.
Таблица 2 Параметры реакции для оптимизации выхода УНТ с использованием метода LA
Различные этапы, ограничивающие скорость, и некоторые важные факторы, такие как материал мишени, катализаторы, типы газа, давление, температура и источники света, регулируют производство УНТ в процессе ЛА.Их взаимодействия вместе с ключевыми факторами вкратце изображены на рис. 7. В качестве углеродного сырья для роста нанотрубок могут выступать не только целевой графитовый стержень, но и атомы углерода, взвешенные в окружающей атмосфере в реакционной камере [152]. Имеющийся запас углеродного сырья позволяет регулировать рост УНТ в зоне реакции, чтобы обеспечить образование чистых и бездефектных УНТ. Фуллерен образуется как промежуточный продукт в реакционной зоне при синтезе УНТ [152]. Промежуточные фуллерены могут расщепляться на низшие углеродные фрагменты (C ₂ , C ₃ и т. д.) с помощью лазерного воздействия, а дезинтегрированные углеродные фрагменты могут служить сырьем для дальнейшего роста УНТ.
Рис. 7
Шаги, ограничивающие скорость, и основные факторы, регулирующие рост ОУНТ
На рисунке 7 показаны некоторые катализаторы, исследованные для синтеза ОУНТ лазерным методом. Каждый металлический катализатор обладает специфическим каталитическим эффектом роста и синтезирует ОУНТ с большим разнообразием. Основная роль данного катализатора заключается в раскрытии каркасной структуры фуллеренов в реакционной камере с последующим формированием начального кластера УНТ.Затем кластер действует как основа, из которой вырастает нанотрубка, похожая на микротрубочку. Он работает до тех пор, пока кластер катализатора не станет слишком большим, чтобы препятствовать испарению и диффузии углерода через поверхность катализатора или над ней [49, 150]. Осажденный углеродный слой может быть насыщен, чтобы принять дополнительные мелкие углеродные фрагменты и остановить рост нанотрубок. Импульсный лазер нагревает целевой графитовый металлический стержень, который также производит большое количество смеси расплавленного углерода и катализатора в газовой фазе [52, 53]. Затем эти выброшенные кластеры расплавленного углеродного катализатора охлаждаются с последующим разрушением.Затем сегрегированные углероды осаждаются на коллекторе, и происходит рост ОУНТ.
Однако о фактической роли данных катализаторов в росте нанотрубок известно недостаточно. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять роль одного или комбинации определенных катализаторов, необходимых для роста УНТ. Документально подтверждено, что биметаллическая смесь более эффективна, чем одиночная [150]. Наиболее распространенными металлическими катализаторами, используемыми в ND:YAG, CO ₂ и солнечных лазерах, являются Ni/Co (0,6/0.6 ат.%) и Ni/Yt (4/1 и 2/0,5 ат.%) [149]. Каталитическая смесь должна использоваться при низкой концентрации, поскольку высокая концентрация катализатора загрязняет конечный продукт и существует в виде примесей в ОУНТ. Очистка загрязненных ОУНТ является сложной задачей, но необходимой для многих промышленных применений, особенно для оптоэлектроники, а также для снижения воздействия на окружающую среду.
Расход газа и его давление считаются наиболее важными ограничивающими скорость факторами в процессе ЛА. Чжан и др.В работе [51] изучен синтез ОУНТ как в N ₂, так и в газе Ar при различных условиях. Они наблюдали рост УНТ при более высокой температуре, когда N ₂ устраняется продуктами абляции. И Ar, и N ₂ продемонстрировали сходные эффекты, тогда как He не показал влияния на образование УНТ. Атмосфера инертного газа, вероятно, ускоряет волновое расширение и теплопроводность в процессе роста УНТ. При более низком давлении (около 100 Торр) образование аморфного углерода предпочтительнее образования ОУНТ.ОУНТ начинают формироваться при давлении выше 200 Торр. Скорость образования УНТ сильно возрастает при давлении выше 600 Торр [153]. Эффект давления зависит от концентрации металла и типа лазера, используемого в реакциях. Порог низкого давления может составлять 100 Торр при соответствующей концентрации металла и точном LA [153].
Поскольку ОУНТ должны собираться из водоохлаждаемой камеры процесса ЛА, образование ОУНТ происходит на графитовой мишени или рядом с ней в непосредственной близости от поверхности лазерного воздействия. В реакционной камере должна поддерживаться соответствующая температура, чтобы добиться большей абляции мишени лазерным облучением.Горячий плазменный шлейф образуется за счет высокотемпературной абляции материала мишени, что обеспечивает правильный и быстрый рост ОУНТ в газовой фазе [88, 154]. Кокаи и др. [53] исследовали скорость роста нанотрубок при нормальной температуре печи. ОУНТ большего диаметра были получены при более высоких температурах, чем низкотемпературные. Такидзава и др. В работе [54] было получено аналогичное влияние температуры на образование УНТ. Непрерывная подача горячих углеродных кластеров может стимулировать и активировать активные центры других углеродных фрагментов, которые должны слипаться во время синтеза нанотрубок. Оптимальная зона роста для образования ОУНТ должна поддерживать температуру >1200 °C. Более низкая температура создает нанотрубки дефектов и стимулирует образование аморфного углерода. Фактический механизм температуры в реакционной камере должен способствовать испарению целевого сырья, а также поддерживать процессы сборки более мелких углеродных фрагментов, таких как C ₂ и C ₃, при росте УНТ в газовой фазе.
Испарение мишени осуществляется различными лазерами на разных длинах волн [155] или источниками света, такими как ND:YAG, УФ-лазеры, непрерывный CO ₂ и солнечная энергия [50, 150, 156, 157].ЛА материала мишени может быть осуществлена с использованием одно- или двухимпульсных лазеров на различных длинах волн, а не непрерывного лазерного луча CO ₂ [50, 153]. Хотя для этих двух методов требуется почти одинаковое оборудование и условия, основное различие между ними заключается в требовании более высокой интенсивности света, то есть 100 кВт/см ² . Лазер cw-CO ₂ не требует внешней печи, в отличие от импульсной лазерной системы ND:YAG. Однако больших различий в росте ОУНТ в процессе ЛА не наблюдается.Лазерная система cw-CO ₂ почти аналогична дуговой абляции с точки зрения смесей фонового газа и металлического катализатора [152]. Он более эффективен для синтеза ОУНТ при комнатной температуре с использованием импульсной лазерной системы ND:YAG, для которой требуется высокая температура [158]. Брейди и др. [157] впервые применили УФ-лазер для испарения целевого материала при более низкой длине волны. Группа успешно синтезировала SWCNT диаметром от 15 до 20 нм при 550 °C, в то время как лазерной системе ND:YAG требуется 850 °C. Хотя лазерные системы ND:YAG, cw-CO ₂ и УФ-лазеры эффективны, они требуют лазера и большой мощности и, таким образом, экономически невыгодны.Лаплаз и др. [156] синтезировали УНТ, используя солнечную энергию в качестве экономичного источника света, как показано на рис. 8. Солнечная энергия улавливалась в колбе-баллоне из пирекса, который устанавливался поверх водоохлаждаемой подставки. Воздушный шар действовал как реакционная камера, улавливал и концентрировал падающую солнечную энергию для поддержания высокой температуры, необходимой для испарения материала мишени. Затем материал помещали в графитовый тигель, который состоит из графита и катализаторов, таких как смеси Ni/Co и Ni/Yt.Затем тигель устанавливали в графитовую трубку. Затем труба была соединена с латунным стволом с водяным охлаждением. На выходе через графитовую трубку вводили инертный газ (Ar). Другая труба была приспособлена для обслуживания насоса для регулирования циркуляции газа и давления. На мишени закреплялось зеркало параболической формы для улавливания солнечного света. С помощью установки удалось собрать и сконцентрировать температуру около 3000 К и достичь мощности 2 кВт при чистом и свежем небе.Это испаряло целевой материал с образованием более мелких углеродных фрагментов, которые затем протягивались через графитовую трубку и осаждались на трубке в виде нанотрубчатого материала сажи. Материал сажи может состоять из MWCNT или FWCNT в зависимости от приложенного давления и расхода газа. Лаплаз и др. [156] синтезировали ОУНТ диаметром 1,2–1,5 нм с выходом 100 мг/ч. Недостатками метода являются необходимость хорошей погоды, чистого и свежего неба, чтобы обеспечить оптимальную температуру для роста УНТ. Кроме того, было обнаружено, что трубки загрязнены аморфным углеродом и металлическими примесями, что делает обязательной очистку УНТ перед применением.Хотя процедура экономична, ее производительность меньше, чем у импульсного лазера (ND:YAG), но сравнима с подходом с лазером CO ₂. Для обоих методов требуется непрерывная мощность волны и очень небольшая процедура настройки, поскольку им не нужна внешняя печь для высокой температуры [149].
Рис. 8
Схематическое изображение экспериментальной установки для системы солнечного испарения. Мишень и труба нагреваются падающим солнечным излучением Солнца. Горячий канал между мишенью и трубой действует как локальная печь, что позволяет избежать необходимости во внешней печи. Рисунок адаптирован с разрешения Elsevier [156]
.
В дополнение к основным факторам роста УНТ в процессе LA, таким как катализаторы, температура, источник лазера и природа газа, необходимо настроить другие параметры, такие как повторение импульсов, время затухания между двумя импульсами [159] и размер внутренней кварцевой трубки. для получения оптимального урожая. Повторение лазерных импульсов необходимо для локализации взвешенного углеродного кластера в зоне реакции. Тесс и др. [49] повторили поступление импульсов ND:YAG (первый на 532 нм, второй на 1064 нм) с задержкой около 50 нс.Они достигли более высокого выхода SWCNT > 70%. Юдасака и др. [52] обнаружили лучший результат при интервалах 0,1/с. Однако значительных изменений не наблюдалось, когда затухание составляло от 0,1 до 120 с. Задержка между двумя импульсами ионизирует факел, достаточно расширяется [152]. Между импульсами поверхность материала мишени реорганизуется и значительно охлаждается.
Тесс и др. [49] разработали внутреннюю кварцевую трубку диаметром 25 мм внутри внешней трубки диаметром 56 мм. Они пропустили газообразный аргон через внутреннюю трубку и обнаружили, что размер трубки помогает удерживать шлейф LA и поддерживает соответствующий поток газа для формирования УНТ.Они предположили, что увеличение диаметра внутренней трубки может снизить скорость образования УНТ. Размещение внутренней реакционной трубки перед мишенью играет жизненно важную роль в формировании нанотрубок. Ринзлер и др. [160] объяснили использование типичной 25-мм кварцевой трубки. Это увеличило возможность получения 50 об.% ОУНТ. Чтобы оптимизировать выход, они удлинили 25-мм кварцевую трубку до 50 мм. Это приводит к увеличению выхода ОУНТ на 90 об.%. Вероятно, фактическая роль соответствующего размера трубки заключается в поддержании однородности газа и прямолинейного лазерного потока к целевому материалу для быстрого создания шлейфа без отрыва и одновременного уменьшения питтинга мишени.Кроме того, закупорка подходящей узкой трубки ~ 2,5 см, а не большей, поможет сконцентрировать лазерный свет, чтобы он падал на поверхность мишени, чтобы поддерживать соответствующую температуру для абляции мишени. Он может повторно собирать свободные атомы катализатора, взвешенные в газовой фазе, и ограничивать их для контроля рассеяния мишени. Следовательно, за счет повторного испарения мишени он увеличивается и обеспечивает новое углеродное сырье для роста нанотрубок. Мы считаем, что дальнейшее масштабирование исходного дизайна обеспечит более высокую производительность даже от нескольких секунд до минут.
Большинство авторов скорректировали как основные, так и второстепенные параметры, чтобы настроить оптимальные условия для преодоления проблемы, с которой они столкнулись в процессе абляции образования УНТ. Мы не должны избегать какого-либо одного параметра, чтобы получить максимальную отдачу, поскольку они являются частью каскада регулируемых взаимодействий. Точная настройка всех параметров, особенно температуры и типа лазера, необходима для быстрого превращения испаренных мелких углеродных фрагментов в нанотрубки. Насколько нам известно, доступно только несколько типов лазерных источников, и они не являются экономически выгодными и экологически безопасными, за исключением солнечной энергии. Обнаружение альтернативного целевого материала, а не чистого графита, в качестве основных источников углерода, таких как уголь, древесный уголь и асфальт, позволит значительно снизить стоимость синтеза ОУНТ, поскольку это снизит стоимость исходного материала примерно в десять раз.
Хиральный контролируемый синтез УНТ с использованием AD и LA
Хиральность УНТ, особенно ОУНТ наряду с их диаметром, определяет их электрические свойства с помощью хиральных чисел [161]. В общем, когда n = m , это ОУНТ «кресло», т.е. металлические с нулевой запрещенной зоной; когда n − m = 3 i и i ≠ 0 ОУНТ имеют очень маленькую ширину запрещенной зоны и обычно считаются металлическими; а когда n − m = 3 i ± 1, ОУНТ являются полупроводниковыми.Наконец, ОУНТ с индексами хиральности ( n , 0) называются «зигзагообразными» и могут быть как металлическими, так и полупроводниковыми [162]. Среди всех возможных комбинаций ( n , m ) почти 67% ОУНТ являются полупроводниковыми, а 33% — металлическими [163]. Это свидетельствует о том, что УНТ, полученные нами методами AD, LA и CVD, представляют собой смесь наноструктур с широким распределением по диаметру и хиральности. Как следствие, выделение идентичных структур SWCNT (т.е., тот же диаметр и та же хиральность) остается серьезной проблемой для крупномасштабного использования нанотрубок.
Чтобы обеспечить хиральные структуры УНТ, были тщательно изучены два подхода: во-первых, разделение после синтеза в соответствии с хиральными векторами ( n , m ) УНТ основано на аффинном подходе, подходе с поверхностно-активными веществами и т. д. ., которые были рассмотрены Чжаном и Зенгом [164], и, во-вторых, также возможно контролировать хиральность УНТ при прямом синтезе УНТ с теми же самыми ( n , m ).Хотя обширные усилия по контролируемому росту УНТ определенного диаметра, хиральности и типа проводимости были предприняты только с использованием CVD, опубликовано лишь несколько отчетов, касающихся AD и LA для изучения и определения хирального синтеза УНТ. Контролируя температуру в диапазоне 780 < T < 1050 °C в методе LA, Bandow et al. [165] попытались настроить диаметр канальцев от 0,81 до 1,51 нм. Большинство хиральных векторов ( C ), имеющих отношение к этой работе, были отнесены к направлению трубки кресла ( n , n ), а пороговая температура для значительного образования ОУНТ составила 850 °C.Напомним, что одним из основных недостатков метода AD является относительно небольшой контроль над выравниванием (т.е. хиральностью) созданных УНТ. Отсюда Keidar et al. [166] использовали магнитные поля для контроля диаметра и хиральности ОУНТ, как показано на рис. 9. Авторы утверждали, что полученные ОУНТ образовались путем скручивания решетки графена под разными углами, что могло создать видимый поворот, хиральность или спираль в ОУНТ. молекулярная структура, хотя общая форма остается цилиндрической. Эти результаты предполагают, что длину, диаметр и, следовательно, хиральность ОУНТ, образованных дугой, можно контролировать с помощью внешнего магнитного поля, приложенного к разряду. Было обнаружено, что магнитное поле относительно небольшой величины в несколько килограммов приводит к резкому увеличению производства ОУНТ меньшего диаметра (около 1 нм) и расширению спектра диаметров/хиральностей синтезированных ОУНТ. Частным выводом из этой работы является то, что в основе управления синтезом АД лежат основы формирования катализатора и взаимодействия катализатора с активными углеродными частицами. Также было обнаружено, что в зависимости от используемой конфигурации магнитного поля могут быть сформированы листы графена с несколькими слоями.Фактически это привело к одностадийному одновременному синтезу и магнитной сепарации высококачественных чешуек графена и ОУНТ в плазме с магнитным усилением. На основании этих результатов можно предложить активное электромагнитное устройство, которое можно было бы внедрить для управления зарождением наночастиц катализатора и ростом ОУНТ и графена. Другая стратегия была недавно опубликована Fang et al. [121], которые синтезировали полупроводниковые ОУНТ диаметром около 1,5 нм с использованием высокоскоростной системы с исполнительным приводом, способной извлекать материал из объема плазмы дуги во время процедуры синтеза.
Рис. 9
Фотография приложенного магнитного поля в дуговой плазме ( a ), расчетное распределение плотности частиц углерода и катализатора, показывающее области с предпочтительными условиями для синтеза хиральных УНТ ( b ), изображение сканирующего электронного микроскопа листы графена ( c ) и ПЭМ-изображение пучков ОУНТ с определенной хиральностью ( d ). Рисунки адаптированы с разрешения Института физических наук [166]
.
Дуговой разряд | Университет Шеффилд Халлам
Фотографии дугового разряда хрома, горящего в вакууме и атмосфере аргона.Выдержка = 1 мс.
Исследование дуговой плазмы поддерживает текущую программу подготовки границы раздела покрытия и подложки. Дуговые разряды используются для предварительной обработки подложек перед нанесением покрытия.
При подаче напряжения смещения до -1200 В на подложку в среде дуговой плазмы ионы металла, образовавшиеся в катодном пятне разряда, могут быть ускорены и внедрены в материал.
Дуговая плазма характеризуется высокой долей высокозарядных состояний — до 5+ для Nb — которые могут быть ускорены до огромных энергий.
Плазма дуги
Nb содержит многозарядные ионы металлов с высокой плотностью. Напротив, доминирующими частицами металлов в плазме магнетронного распыления являются нейтральные атомы.
Влияние технологического газа на дуговой разряд
Теория дуговых разрядов хорошо разработана для вакуумных сред, однако дуговая обработка, имеющая промышленное значение, часто выполняется в газовой среде. Присутствие газа может существенно повлиять на распределение зарядового состояния ионов металлов вблизи подложки.Например, сильно заряженные состояния, такие как 5+ и 4+, исчезают до пренебрежимо малых уровней даже при малых давлениях — 0,01 Па. Среднее заряженное состояние может значительно падать при давлении 0,1 Па.
Присутствие газа может понизить температуру электронов плазмы вблизи подложек и, возможно, в самом катодном пятне из-за ионизационных и возбуждающих столкновений, при которых электроны теряют свою энергию. Кроме того, столкновения ионов металлов с нейтральными атомами газа могут вызвать реакцию перезарядки, при которой электрон переходит от нейтральной частицы к иону.
Хотя исследователи вынуждены применять концепции вакуумных дуг к дугам, горящим при низких давлениях газа, не всегда очевидно, что эту связь можно установить.
Среднее зарядовое состояние ионов металлов в дуговой плазме Nb существенно снижается в результате взаимодействия с технологическим газом.
Эта работа была выполнена в сотрудничестве с доктором Андре Андерсом из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, США.
Влияние конфигурации магнитного поля
Магнитные поля очень часто используются в промышленной обработке дугой, поскольку они увеличивают скорость движения катодного пятна по поверхности катода, что приводит к уменьшению размера капель.
Геометрия магнитного поля влияет на пути диффузии электронов, а также ионов через амбиполярное взаимодействие. Измерения и конечно-элементное моделирование магнитного поля позволяют определить эти траектории.
Путь диффузии и удержание плазмы определяются конфигурацией магнитного поля.
Обнаружено наличие остаточной плазмы, когда магнитное поле образует большой туннель в целевой области. Как объем, так и время жизни остаточной плазмы уменьшаются при уменьшении ширины туннеля.
Быстрые фотографии, иллюстрирующие различную степень удержания остаточной плазмы в зависимости от формы магнитного поля. Время экспозиции = 100 микросекунд.
Наличие остаточной плазмы сильно влияет на химический состав продуктов дугового пятна. Измерения OES с временным разрешением отдельных спектральных линий Cr2+, Cr1+ и Cr0 иллюстрируют серьезное влияние на распределение состояния заряда.
Влияние тока катушки на КСД ионов связано с захватом газовой плазмы в определенных конфигурациях магнитного поля.
Экспериментально записанные видеоролики, иллюстрирующие движение катодного пятна при различных конфигурациях магнитного поля в зависимости от тока катушки Icoil = -1 А, 0 А и +1 А. Выдержка = 100 мкс, Интервал = 200 мкс
Реальная скорость движения катодного пятна 10 об/сек.
Используемые методы диагностики плазмы
Оптико-эмиссионная спектроскопия (ОЭС)
Время определено OEST
Диагностика электростатическим зондом
Измерение и моделирование магнитного поля
Мой электрический двигатель — Название
Продолжение дугового разряда/плазмы Физика

Это раздел собирается сосредоточиться на некоторых из наиболее практических характеристик дуговых разрядов, в отличие от теоретического материала, изложенного в первый раздел.Одна из важнейших характеристик дуги разряда – его V-I кривая. Эта кривая описывает, как напряжение дуги меняется в зависимости от тока дуги и имеет много важных подразумеваемое.
Рис. 1: Кривая V-I конкретной дуги [1]

Эти кривые были определены Гертой Айртон для дуг между углеродными электроды с расстоянием искрового промежутка в качестве параметра и особенности ее установки. Поэтому они недействительны для разных электродные материалы, геометрия и расстояния.Они, однако, иллюстрируют некоторые важные принципы, которые можно применить к более общие сценарии.
Интересно Характерной чертой для начала является относительно плоский часть кривой V-I при более высоких токах. С практической точки зрения, это может значительно упростить проектирование и анализ, поскольку напряжение дуги относительно нечувствительно к изменениям тока. За например, при проектировании импульсного источника питания дуги гораздо большее пульсации выходного тока могут быть приемлемыми и, следовательно, намного меньше можно было бы использовать менее дорогие магниты.я не смог найти много информации о кривых V-I, которые простираются на сотни или тысячи Ампер, но мой опыт показывает, что напряжение дуги остается устойчивым (возможно, в пределах +/- 10 В) вплоть до 10 и 100 с тысячи ампер. В какой-то момент у меня будут собственные экспериментальные данные, чтобы подтвердить или опровергнуть это, и я обязательно опубликую это, когда это будет доступный.
Но что нам делать этой плоской области? Как мы объясним это в контекст физических явлений, обсуждавшихся ранее? Большинство интуитивно понятное место для начала, вероятно, с анодного и катодного напряжения области падения, которые, как вы, возможно, помните, представляют собой две невидимо тонкие области на поверхности электродов, к которым присоединяется дуга и которые демонстрируют постоянное падение напряжения (порядка 10-20 В или около того на обоих электродов), что зависит от материала электрода.Катод область капли особенно важна, так как положительный ион Бомбардировка на его поверхности создает тепло, которое освобождает электроны, которые в свою очередь протекают через разряд. Простое объяснение состоит в том, что увеличение тока дуги увеличивает тепловую мощность, подводимую к поверхности катода, а это, в свою очередь, генерирует больше свободных электронов и позже, больше свободных положительных ионов. С дополнительными носителями заряда доступны, повышенный ток дуги может поддерживаться при том же уровне дуги. Напряжение. Таким образом, дуга является самоподдерживающейся.
Стоит отметить, что так как области анода и катода тонкие, у них очень малая площадь поверхности, через которую они могут проводить тепла окружающему воздуху. Таким образом, большая часть энергии, потребляемой области падения (ток дуги, умноженный на анодное или катодное падение) переходит в термический нагрев электрода. Часть этой энергии уходит на высвобождение электронов с поверхности катода, большая их часть либо излучается, либо проводится в сторону от области присоединения дуги.
Адрес область относительно постоянного напряжения, связанная с большие токи, а как насчет области, где увеличивается напряжение дуги быстро с уменьшением тока дуги? Для объяснения этого мы можем посмотрите еще раз на магнитное сжатие дуги.Вы можете вспомнить, что в при больших токах дуги создается сильное магнитное поле, оказывающее направленная внутрь сила на текущие заряды и противодействующее тепловое расширение газы, ограничивая разряд до небольшого поперечного сечения. На низком дуговых токов создается относительно небольшое магнитное поле, оказывающее очень небольшая внутренняя сила, которая мало что делает для противодействия тепловому расширению газов. Это расширение приводит к тому, что дуга становится намного холоднее. и, следовательно, менее полностью ионизирован. Это снижение заряда носителей приводит к снижению проводимости положительного столба и увеличение напряжения дуги.

Рис. 2: Слаботочная дуга (~30 мА)

Кстати, эффект более холодной дуги по проводимости и напряжению дуги также актуален, когда энергия извлекается из дуги в применение, такое как нагрев другого газа. В таком приложении тепло из положительного столбца будет перенесено за пределы дуги, в результате чего при более низкой температуре и более низкой проводимости, с максимальным эффектом увеличения напряжения дуги при заданном токе. Другой способ думать об этом как энергетический баланс.Для данного тока определенное количество энергии, необходимое для поддержания генерации электронов на катода, заменить тепло, теряемое на излучение и теплопроводность, и т. д. Это требует определенного напряжения дуги для подачи требуемой мощности (дуги текущее время напряжения дуги.) Если от дуги отбирается дополнительная мощность для выполнения какой-либо другой задачи, то напряжение дуги должно увеличиваться, чтобы для подачи этой дополнительной мощности. Хорошо, вернемся к кривой V-I…
Кривая V-I также является важно учитывать при запуске дуги.Рассмотрим цепь, состоящую из нескольких идеальных источников напряжения. подключен к двум электродам. Как показано на рис. 3.

Рис. 3: Поставка и Цепь электродов

Предположим, что кривая V-I имеет для них уже созданы электродов, и построен график с вольт-амперной характеристикой мощности питания (постоянное напряжение)
Рис. 4: Электрод и Блок питания В-И Характеристики

Обратите внимание, что дуга V-I кривая проходит вверх вдоль оси Y в нуле ток до тех пор, пока не встретится с кривой, похожей на показанную на рис. 1. В этом случае линии подачи для трех показанных линии постоянного напряжения, представляющие идеальные источники питания), каждая из которых пересекает линия нагрузки (дуговая кривая V-I) дважды, один раз при нулевом токе и еще раз при некотором положительный ток. В этом случае все три источника могут достичь только точка нулевого тока, так как ни один из них не способен генерировать высокий достаточное напряжение, чтобы вызвать ток. Очевидно, это указывает на то, что источники питания, показанные на рис. 4, не способны вызвать искровой разрядник пробой, который необходим для зажигания дуги.

Теперь давайте изменим схема с рис. 3, чтобы включить некоторое сопротивление серия с поставкой.

Рис. 5: Модифицированная схема с сопротивлением

Если напряжение питания выше напряжения пробоя промежутка, теперь является одним пересечением между исходной и нагрузочной линиями, что представляет собой стабильную рабочую точку, которой может достичь источник питания.

Рис. 6: Модифицированные линии источника и нагрузки

Это критично важно при проектировании цепи зажигания, т.к. некоторые цепи зажигания имеют очень высокое сопротивление источника и, следовательно, может подавать только очень ограниченный ток.Цепь зажигания может вызвать пробой между электродами, но если он не в состоянии подавать ток, достаточный для того, чтобы напряжение дуги упало ниже Напряжение питания, дуга гаснет, когда цепь зажигания выключен.
Рис. 7: A) Неправильно Согласованная цепь зажигания и источник питания B) Правильно Согласованное зажигание и подача

Рис. 7а иллюстрирует несогласованное зажигание и подачу. Из-за зажигания высокий импеданс источника цепи, он может обеспечить только небольшое количество ток на дугу, а напряжение на дуге никогда не падает достаточно низко для источник питания, чтобы обеспечить ток дуги. На рис. 7б нижняя полное сопротивление источника позволяет цепи зажигания работать ниже линия источника, позволяющая подавать ток на дугу. Примечание что линия подачи и дуги пересекутся в другой далекой точке правая сторона диаграммы, которая в конечном итоге будет стабильной рабочая точка схемы.
Каталожные номера
[1] J. D. Cobine, Газообразный Проводники , Нью-Йорк: Книжная компания McGraw-Hill, Инк., стр. 203

[ На главную ]

Вопросы? Комментарии? Предложения? Пишите мне на [email protected]
Copyright 2007-2010 Мэтью Кролак — Все права Сдержанный.
Не копируйте мои вещи без предварительного запроса.
Дуговой разряд | Научный.Net
Производство наноматериалов дуговым разрядным напылением кремний-графитовых и кремний-графитовых композитных анодов
Авторы: Алексей В. Зайковский
Аннотация: В работе представлены результаты синтеза в дуговом разряде наноматериалов, содержащих графен и наночастицы SiC-керамики. Установлено, что использование кремнеуглеродного состава напыляемого электрода в дуговом разрядном синтезе позволяет синтезировать графеновые структуры с наночастицами карбида кремния со средним размером около 6,2 нм. С другой стороны, использование композитного электрода графит-кремнезем также приводит к образованию графеновых структур, но при этом образующиеся наночастицы карбида кремния имеют больший средний размер, порядка 9.5 нм. В данной статье представлены результаты структурного анализа синтезированных материалов и предложено объяснение влияния использования оксида кремния на увеличение среднего размера синтезированных наночастиц SiC.
94
Дуговой электрический разряд под флюсом для изготовления наночастиц с использованием электродов на основе углерода
Авторы: Мифтахул Анвар, Тегух Эндах Сарасвати, Ахмад Бахрудин
Аннотация: В этом исследовании описываются структурные модификации обугленных электродов и полученных в результате углеродных наночастиц с использованием метода дугового разряда в жидкости, который является более простым и менее дорогим, чем другие методы, такие как CVD и лазерное испарение. Наночастицы получают из порошка, всплывающего на поверхность воды при дуговом разряде между двумя погруженными в воду электродами. Профили рентгеноструктурного анализа (XRD) показывают образование пика при 24-26 ^o 2Ѳ, связанного с гексагональной структурой графита. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) подтвердила наличие наночастиц со структурой графита после дугового разряда; эти наночастицы имеют диаметр от 20 до 100 нм. Напротив, наночастицы, полученные с использованием графитовых электродов с вариациями источника тока, имеют более сложную и разнообразную структуру, например такие структуры, как нанолуковицы, графен и аморфные наночастицы.
141
Формирование однослойных углеродных нанотрубок Buckybooks, нанолистов графена и графена, декорированного металлом
Авторы: Сима Авасти, Калпана Авасти, О. Н. Шривастава
Аннотация: Различные углеродные наноструктуры e.г. одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ), графеновые нанолисты и графеновые листы, украшенные металлическими наночастицами, были синтезированы в большом количестве методом электродугового разряда в атмосфере аргона. Синтезированные наноструктуры были охарактеризованы с помощью различных методов характеризации, таких как XRD, SEM, TEM, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, рамановская и FTIR-спектроскопия. Сетки ОУНТ длиной ~6 см, обильно содержащие выровненные ОУНТ, имеют диаметр около 1,8 нм и образуют буккибукообразную структуру.Листы с несколькими слоями графена (FLG) были изготовлены с помощью электродугового разряда графитовых электродов высокой чистоты в изменяющейся газовой атмосфере аргона (250-500T). Наибольшая площадь графена (с наименьшим количеством слоев, то есть четыре) была обнаружена при давлении аргона 350 Тл. Также сообщается об одноэтапном методе декорирования этих графеновых нанолистов наночастицами железа и никеля с помощью метода дугового разряда.
37
Синтез и характеристика наночастиц кобальта, полученных методом дугового разряда с использованием ультразвукового распылителя
Авторы: Ахмед М.Эль-Хатиб, Мохамед С. Бадави, Гамаль Д. Ростон, Алаа М. Халил, Рами М. Мусса, Мустафа М. Мохамед
Аннотация: Магнитный наноструктурированный кобальт синтезирован двухстадийным методом. Сначала с помощью ультразвукового распылителя приготовили раствор капель прекурсора кобальта. Во-вторых, для получения наноструктурированного порошка кобальта используется метод дугового разряда между двумя электродами в среде инертного газа при атмосферном давлении. Полученный образец охарактеризовали с помощью рентгеновской дифракции (XRD).Сканирующий электронный микроскоп (SEM), трансмиссионный электронный микроскоп высокого разрешения (HR-TEM), УФ-видимая спектрофотометрия, дзета-потенциал (ZP) и магнитометр вибрационных образцов (VSM). Диэлектрическую проницаемость и проводимость по переменному току приготовленного образца определяли в диапазоне частот от 4 Гц до 8 МГц. Исследования показали, что полученные таким образом наночастицы Co имеют более мелкие и однородные наночастицы сферической формы с хорошей стабильностью и уникальными магнитными свойствами по сравнению с объемными.Анализ диэлектрических свойств показывает увеличение диэлектрической проницаемости и проводимости переменного тока наночастиц Со.
88
Синтез углеродных наноструктур с использованием дугового разряда в жидкой фазе
Авторы: Маратбек Габдуллин, Данияр Васильевич Исмаилов, Маржан Султангазина, Корлан Хамитова, Жанибек Аяганов, Рахима Канат
Аннотация: В работе рассмотрен метод синтеза нано- и микропорошков в дуговом разряде в жидкой фазе. Предлагаемый метод позволяет синтезировать нано- и микрочастицы различного химического состава. Описан механизм синтеза и схема сочетания химических составов электродов и жидкой среды.
84
Каталитический наноматериал Pt-C для газодиффузионного электрода: дуговой синтез и улучшение свойств электропроводности
Авторы: Алексей В.Зайковский, С.А. Новопашин, Салават З.Сахапов, Д.В. Смовж
Аннотация: Методом дугового разряда синтезирован материал Pt-C для использования при создании газодиффузионного электрода для алюминиево-воздушной батареи. Материал был сожжен и смешан с графитовым порошком для замены плохой проводящей углеродной матрицы, закрывающей наночастицы Pt. Газодиффузионные электроды, изготовленные с использованием таких материалов, имеют рабочие характеристики промышленного уровня. Улучшение рабочих характеристик газодиффузионных электродов связано с увеличением электропроводности углеродной матрицы, замыкающей наночастицы Pt. Изучена зависимость структурно-проводящих свойств чистого углеродного материала от параметра дугового разряда и установлено, что основным параметром является давление буферного газа. Углеродные материалы, синтезированные при давлении ниже 12 Торр, имеют в несколько раз большую проводимость за счет исчезновения слоев аморфного углерода и снижения контактного сопротивления.
58
Зависимое от давления намагничивание дугового разряда Fe–C-сажа
Авторы: С.А. Новопашин, Н.А. Демин, А.В. Зайковский
Аннотация: Напыление композитного Fe-C анода в дуговом разряде низкого давления было использовано для получения Fe-содержащих наночастиц на углеродной матрице. Измерена зависимость магнитной восприимчивости от фонового давления. Полученные данные показали сложную, немонотонную зависимость. Материал, синтезированный при оптимальном давлении (максимальное значение магнитной восприимчивости), исследовали методами просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и магнитометрии. Измерена функция распределения по размерам железосодержащих наночастиц. Химический состав включает железо, карбид железа и сажу. Измерена намагниченность насыщения и показано, что синтезированный материал является суперпарамагнитным.Обсуждаются физические процессы, приводящие к сложному поведению магнитной восприимчивости.
96
Фотокаталитическая деградация метиленового синего с использованием наночастиц TiO ₂ /углерода, полученных электродуговым разрядом в жидкой среде
Авторы: Тегух Эндах Сарасвати, Исья Фитри Андхика, Патиха, Чандра Пурнаван, Сайекти Вахьюнингсих, Мифтахул Анвар
Аннотация: Здесь мы модифицировали анатаз TiO ₂ углеродным материалом с использованием метода дугового разряда в жидкой среде для получения наночастиц фотокатализатора TiO ₂ /углерод. Дуговой электрический разряд осуществляли с помощью двух графитовых электродов, погруженных в TiO ₂, взвешенных в этаноле, при пропускании электрического напряжения 20-40 В (10-50 А). Анализ профиля пика с помощью рентгеновской дифракции (XRD) показывает успешную модификацию, подтвержденную представленными пиками, которые представляют собой кристаллический TiO ₂ и углеродный элемент. Затем за изготовлением последовала оценка фотокаталитической активности изготовленных наночастиц в деградации метилебе синего под действием ртутной лампы.После 60-минутного облучения фотокаталитическая активность TiO ₂ /углерод увеличилась более чем в три раза по сравнению с фотокаталитической активностью исходного TiO ₂ .
285
Влияние источника металла на получение металлофуллеренов.
Авторы: Сюнь Ян Ван, Юн Фу Лянь
Аннотация: Методом дугового разряда постоянного тока получены эндоэдральные металлофуллерены с использованием оксида иттрия и сплава иттрий-никель в качестве источника металла соответственно. Анализ масс-спектроскопии и высокоэффективной жидкостной хроматографии свидетельствует о том, что сплав иттрий-никель имеет преимущества перед оксидом иттрия в более высоком выходе сажи, большем количестве частиц и более высоком выходе растворимых металлофуллеренов.
64
Исследование электромагнитных помех электропроводки автомобиля в тоннеле угольной шахты
Аннотация: Контактная сеть автотранспортного средства в тоннеле угольной шахты является мощным источником промышленных помех, импульсная помеха, генерируемая контактной сетью, представляет собой некоторую группу импульсов со случайной повторяющейся амплитудой и длительностью.Когда поезд находится в состоянии номинального рабочего тока, пантограф и воздушная линия находятся в процессе разделения для контакта, скорость движения автомобиля ниже, ток разряда больше, больше помех от излучения дуги.