Способ разрушения диэлектрических и полупроводниковых материалов Советский патент 1981 года по МПК E21C37/18 

Изобретение относится к области горнорудной промышленности, к промышленности строительных материалов, буровой технике, а более конкретно к электроимпульсным установкам, предназначенных для разрушения, дроб ления и измельчения материалов. Известен способ разрушения,основанный на воздействии импульсных электрических разрядов, сформированных в толще разрушаемого тела (горно породе, полезных ископаемых и т.д.) D3.. Б этом способе предлагается установка на поверхности (или закладка внутрь) твердого тела систем электро дов с последующим воздействием электрического импульса, вызываюш;его электрической пробой межэлектродного промежутка вплоть до формирования сквозного канала. После пробоя j)a3рядный ток резко возрастает. В канал выделяется джоулевое тепло, канал пробоя расширяется, действуя на OKP.V жаклцую среду подобно поршню. В твердом теле формируется переменное во времени и пространстве поле механических напряжений, под действием которого н происходит образование трещин и нарушение сплошности (разрушение) твердого тела (материала). Для любой технологической операции, основанной на иввестном способе, можно вьщелить две фазы (стадии) процесса: стадию формирования канала пробоя, завершающуюся образованием канала сквозной проводимости в да электрическом или полупроводящем материале, и стадию выделения электрической энергии, формирования поля механических напряжений и разрушения материала. Недостатком указанного способа является то, что он не учитывает особенностей каждой стадии процесса, ограничиваясь воздействием одного i электрического сигнала,что снижает эффективность разрушения. 3 Известен другой способ разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, в том числе горных пород электрическим током, в котором с цел повышения экономичности сначала до пробоя воздействуют на разрушаемый материал током высокой частоты, а за тем через сформированный канал воздействуют током в один или более порядков больше, чем в предпробойной стадии 12. Таким образом осуществляют разде ное воздействие на материал двух электрических сигналов, один предназ начен для пробоя межэлектродного про межутка, другой для расширения канал пробоя, обеспечивающего формирование поля механических напряжений в разрушаемом материале и его разрушение Последний из указанных выше cnoco бов является более близким к описываемому изобрете1шю. В качестве критерия, обеспечивающего высокую эффективность процесса в известном способе выдвигается превышение разрядного тока в завершающей стадии над предпробойным током в один и более порядков. Такой критерий содержит требования к амплитуде, но не содержит требований к временным параметрам электрического сигнала, а стало быть к форме разрядного тока, и к форме возбуждаемого разрядным током поля механических напряжений. Это не позв йпяет достичь эффективного использования введенной энергии, иметь выс кий КПД по превращению электрической энергии, введенной в канал пробоя, в механическую работу, совершаемую расширяющимся каналом пробоя над окружающем материалом, и далее в энергию вновь образованной поверхности при нарушении сплошности разрушаемого объекта. Кроме того,параметры воздействующего импульса соотнесены с величиной предпробивного тока и не учитывают механических свойств разрушаемого материала, что тшсже не позволяет обеспечить эффективность процесса разрушения твердог тела электрическим током. Цель изобретения - повышение эффективности разрушения. Для этого материал пробивают элек- 55

трическим током и на образовавшийся канал пробоя воздействуют электрическим импульсом, скорость нарастабоя, далее в блоке 5 дифференцирования происходит дифференцирование сигнала мощности,затем в блоке 6 6 ния мощности которого постоянна и находится в пределах .{.588 -0,508 -0,t76fl N . -f -с dT H67e..f .. тб i Tg.37e(. V1-2v/ят 79,57g-Т 5 Я ®. ПРИ г 3/2 6 , где --- скорость нарастания мощности электрического импульса; f - напряжение среза, ( - напряжение разрушения разрыва, н/м ; j - плотность, кг/м ; с - скорость распространения звука, м/с; - коэффициент Пуассона; t - длина межэлектродного промежутка 7, На чертеже представлена блок-схема устройства для осуществления способа, Устройство содержит источник сигналов пробоя, рабочий промежуток, образованный, двумя электродами 2, расположенных на материале 3, блок 4 умножения (иц(), блок 5 дифференцирования ( , блок 6 сравнения, блок 7 опорного сигнала (r Cons4:} , генератор 8 сигнала подмагничивания, генератор электрического импульса, включающий обмотку подмагничивания дросселя, конденсатор заряда и зарядное устройство 9, коммутаторы 10 и 11, делитель напряжения 12, шунт 13, Источник 1 сигналов пробоя подкг ючен через коммутатор 10 к рабочему промежутку, образованному двумя электродами 2 и обеспечивает формирование канала пробоя в материале 3,после чего через коммутатор 11 подключают генератор, предварительно заряженный от зарядного устройства 9, Импульс тока создает падение напряжения на сопротивлении канала пробоя и на измерительном шунте 13, Сигналы с шунта 13, пропорциональный разрядному току i, а с выхода делителя 12 пропорциональный падению напряжения U в канале пробоя, поступают в блок 4 умножения (Ux i) где происходит определение электрической мощности, развиваемой в канапе просравнения сравниваются сигнал,поступакнций с блока 5, с постоянным сигналом, предварительно заданным в блоке 7. Сигнал рассогласования поступает с блока 6 на вход генератора 8 сигна ла подмагничивания, с выхода которог запитьшается обмотка подмагничивания дросселя. Величина индуктивности дро селя возрзс1ает, если о , снижается, если 4г- таким об разом, подде ат живается квазипостоянная величина Блок 7 можно построить так, что вели чина-з отрабатывается при вводе значений в,,,Я,с.,л и корре тируется при любом дополнительном изменении указанных величин. Интерва допустимых значений - 5 достаточно широк, поэтому необходимость в корректировке величины -тД в блоке 7 возникает лишь при резком изменении свойств разрушаемого материала или длины межэлектродного промежутка. От использования предлагаемого способа повышается КПД электроимпуль ных установок по разрушению и дробле нию материалов сокращается расход электроэнергии за счет более полного преобразования электрической энергии в работе по разрушению материала. Испытания показали, что выделение энергии с постоянной скоростью нарастания мощности по сравнению с выделением энергии емкостным накопителем в разрядном контуре с нерегулируемь1ми параметрами, при прочих равных условиях, увеличивает вновь обра зованную поверхность S более, чем в 1,5 раза. Так как КПД- t есть отношение энергии вновь образованной поверхности S ( - удельная энергия вновь образованной поверхности) к энергии потребляемой от источника, и.е.т,:: и поскольку и ц не изменяются при переходе от известного к заявляемому способу, то , как следует из вмпеуказанного, увеличива ется также более, чем в 1,5 раза. Кроме того, предлагаемый способ позволяет Проектировать электроимпульсные установки, -в отличие от известного, с учетом механических свойств материалов, обеспечивая достижение оптимальных условий для разрушения с увеличением КПД. Формула изобретения Способ разрушения диэлектрических и полупроводниковых материалов,заключающийся в том, что материал пробивают электрическим током и на образовавшийся канал пробоя воздействуют электрическим импульсом, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения эффективности разрушения, скорость нарастания мощности электрического импульса постоянна и находится в пределах wa(J5)«V «V-c S|. тб7е...7б„р ,,. 70 эт /-ili- . р .5в«л- 5N M-aD/ f 79,37e. С-ПРИ .т, скорость нарастания мощности электрического импульса , напряжение среза, H/M- J напряжение разрушения разрывом, плотность, скорость распространения звука м/с-, коэффициент Пуассона, б - длина межэлектродного промежутка, м. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 237073, кл. Е 21 С 21/00, 1959. 2.Авторское свидетельство СССР № 162796, кл. Е 21 С 37/18,1958.