Способ разрушения поверхности материалов Советский патент 1993 года по МПК B23H5/00 H02N1/00 

Изобретение относится к способам обработки материалов путем накопления . электрических зарядов с последующим выделением энергии при электрическом разряде и может быть использовано для получения импульсных токов и разрушения твердых тел в промышленных и лабораторных условиях.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки материалов, включающем накопление энергии в виде электроста- тических зарядов разных знаков с последующим выделением накопленной энергии при электрическом разряде, разрушающем обрабатываемый материал, накопление энергии осуществляют путем биполярной зарядки водяного пузыря. Возможен вариант, при котором перед зарядкой водяного пузыря его замораживают. Разряд пузыря осуществляют путем его механического разрушения при ударе, воздействием на него лазерным лучом.

В заявленном способе:

при преобразовании энергии происходит разрушение легко возобновляемого, экологически чистого, дешевого узла - водяного пузыря;

разрядку пузыря можно осуществить в непосредственной близости от требуемого места, при этом значительно снижаются потери энергии при ее передаче от места накопления до места разряда;

ч о ю XI о о

узел разрядки (водяной пузырь) имеет малую массу и легко транспортируется как электрическим полем, так и воздушным потоком;

конструктивно узлы зарядки и разрядки независимы и могут находиться в разных местах;

возможно получать импульсные токи с большой крутизной нарастания, так как мала индуктивность разрядного контура;

в случае замораживания пузыря можно получить большое значение преобразованной энергии на единицу массы и объема;

возможно тонкое регулирование количества выделяемой энергии;

при разряде не выделяются вещества, засоряющие обрабатываемый материал.

Таким образом предлагаемый способ обработки материалов имеет ряд преимуществ перед известными.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Из воды, в которой растворены поверхностно-активные вещества, выдувают в воздухе водяной пузырь. Удается получать пузыри диаметром до нескольких метров и толщиной стенок от до м.

Далее пузырь или одновременно несколько пузырей помещают в газовый промежуток между электродами, подключенными к источнику высокого напряжения, в этом промежутке осуществляют зарядку разноименными электрическими зарядами противоположных концов (полюсов) пузыря в поле.коронного разряда или в электростатическом поле.

На экваторе пузыря имеется линия нулевого потенциала, поэтому трубку, с помощью которой выдувают пузырь, располагают посередине зарядного промежутка. Эта трубка при таком расположении практически не оказывает влияние на поле и заряды пузыря. Для придания устойчиво- .сти водяному пузырю его могут выдувать в круглой рамке, установленной по экватору. Далее пузырь с помощью электрического поля, воздушного потока или с помощью трубки перемещается в зону разрушения, где, например, механическим ударом о поверхность его разрушают. Такой возможности для транспортировки накопителя энергии к месту выделения этой энергии известные способы не имеют.

Возможно в предлагаемом способе совмещение зоны получения и разрушения пузыря. При разрушении пузыря выделяется энергия, как накопленная в электрическом поле Л/э, так и накопленная при выдувании пузыря WB. Величина последней составляющей энергии близка к значению

5

WB - 16 яВ а , где R - радиус пузыря;сг - коэффициент поверхностного натяжения,Энергия заряженного пузыря радиусом R м равна W W -t-WB

2WB 2,88 .

Электрическая искра, проскакивающая при разряде пузыря у поверхности материала, позволяет осуществить концентрацию энергии в необходимом месте и произвести

необходимое микроразрушение поверхности. Такому разрушению способствует также кумулятивный эффект, возникающий при разрушении пузыря.

В варианте осуществления способа,

5 когда перед зарядкой пузырь замораживают, энергия замороженного водяного пузыря уже значительно больше, так как замороженный пузырь выдерживает сжимающее давление Д Р 1.6- 104 Па, то есть

0 близкое к 0,2 атмосферного.

Электрический разряд пузыря может возникнуть при зарядке до величины электрического пробоя, при механическом разрушении (ударе), при воздействии лазерным лучом.

Пример. Берут трубку, на конце которой в плоскости оси трубки имеется рамка из тонкой проволоки, радиус рамки м. В трубку помещают г воды

0 и выдувают пузырь радиусом R м. Далее пузырь помещают в среду с температурой ниже (-25)°С. При замораживании пузыря возникает разность давлений внутри пузыря и вне его.

5 Затем замороженный пузырь помещают в пространство между электродами (не касаясь электродов), подключенными к источнику высокого напряжения, создавая напряженность внешнего поля до 3 -10 В/м.

0 Проводимость ионизованного воздуха 10 9-1012 см/м, а замороженного пузыря см/м, поэтому на полюсах пузыря сосредотачиваются свободные заряды. Кроме того, лед обладает электродными свойства5 Ми, при этом величина заряда составляет 10 5Кл/г.

Рассмотрим случай применения предлагаемого способа для микроразрушения поверхностей.

0 Заряженный замороженный пузырь потоком воздуха транспортируют к обрабатываемой повер хности. При разряде одного пузыря R 10 м и его разрушении выделяется энергия Wan 3/2V ДР 0,1 Дж, где

5 у - объем пузыря; Д Р - разность давлений вне пузыря и внутри его. В данном случае эта энергия соответствует сравнительно высокому значению удельной энергии 1 Дж/г. Импульсный ток, возникающий при разряде

и разрушении пузыря, проходит через поверхность материала и производит его обработку. Кроме того, обработку поверхности осуществляет вода (лед) стенок пузыря.

Возможна организация процесса, когда образование пузырей осуществляют перио- дичерки с большой частотой (несколько пузырей в секунду и чаще).

Опыты по осуществлению способа показали возможность его осуществления и получения импульсных токов, обрабатывающих материалы, вдали от места зарядки пузырей после их транспортировки и разрядки.

Пример устройства, реализующего способ, приведен на чертеже.

Устройство содержит камеру 1 образования водяного пузыря, в которой смонтированы высоковольтные электроды 2 и 3, установленные на изоляторах 4 и подключенные к источнику 5 высокого постоянного напряжения, имеющему выводы положительной и отрицательной полярности. Между Электродами 2 и 3 устанавливается трубрчка 6, соединенная с сосудом 7 для воды с примесью поверхностно-активных веществ, к трубочке 6 подсоединяется трубочка 8 для подачи воздуха, с помощью которой выдувается водяной пузырь 9. На конЦе трубочки б может быть смонтирована круглая рамка 10 для фиксации положения и размеров водяного пузыря. В камере 1 установлены высоковольтный ввод 11, ввод 12 от холодильного устройства 13 и ввод 14 от нагревательного устройства 15. Камера 1 соединена туннелем 16 для транспортировки пузыря 9 потоком воздуха или под действием электрических сил в камеру 17, в которой осуществляется разрушение пузы- ря 9. В камере 17 установлен образец 18, предназначенный для разрушения, а также

приборы 19 для исследования физических свойств заряженного водяного пузыря 9 и процесса разрушения.

Использование предназначенного способа обработки материалов обеспечивает по сравнению с прототипом возможность:

обработки проводящих материалов,

осуществлять микрообработку,

производить разрушение в требуемом месте.

Кроме того, при осуществлении предлагаемого способа отсутствуют вносимые электродом загрязнения, уменьшается ма- териалоемкость и трудоемкость в связи с увеличением срока службы дорогостоящего оборудования.

Предлагаемый способ может служить основой для создания новых технологий.

Формула изобретения

1. Способ разрушения поверхности материалов, включающий накопление электростатических зарядов разных знаков с последующим воздействием на обрабатываемую поверхность электрическим разрядом, отличающийся тем, что, с целью повышения избирательности разрушения, накопление энергии осуществляется путем биполярной зарядки водяного пузыря, а электрический разряд получают разрушением водяного пузыря вблизи обрабатываемой поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед зарядкой пузыря его замораживают.

3. Способ по п.1,отличающийся тем, что электрический разряд водяного пузыря получают путем его механического разрушения.

4. Способ по п.1,отличающийся тем, что электрический разряд водяного пузыря получают путем воздействия на него лазерным лучом.

Использование: обработка материалов путем микроразрушения поверхности биполярно заряженным водяным пузырем. Сущность изобретения: выдувают водяной пузырь, осуществляют зарядку разноименными электрическими .зарядами противоположных полюсов пузыря, транспортируют пузырь, а затем осуществляют разряд и разрушение водяного пузыря, например, путем удара, лазерным лучом. При разряде пузыря возникает электрическая искра, производящая микроразрушение поверхности материала. Возможен вариант осуществления способа, при котором перед зарядкой пузыря его замораживают, при этом увеличивается упругая энергия пузыря. При осуществлении способа не выделяются вещества, засоряющие обрабатываемый материал; достигается большой срок службы дорогостоящих узлов оборудования, осуществляющего способ, так как разрушается легко возобновимый, экологически чистый, дешевый узел - водяной пузырь; возможно получать импульсные токи с большой крутизной нарастания. 3 з.п.ф-лы, 1 ил. ел с