Брызги вольфрама

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12210 (2023) Цитировать эту статью

173 доступа

Подробности о метриках

Выявлен уникальный механизм разбрызгивания анода на основе вольфрама при дуговом разряде. Разбрызгивание происходило за счет отрыва столба жидкого металла, который удлиняется после образования локальной вогнутости на поверхности расплавленного анода. До образования вогнутости регистрировалась сине-фиолетовая люминесценция, излучаемая ионами церия, возникающими из добавок в аноде на основе вольфрама. Температура поверхности превышала точку кипения добавок в момент разбрызгивания. Измеренные скорости капель позволили предположить, что электромагнитная сила способствует высокоскоростному выбросу. Картирование энергодисперсионной спектрометрии также выявило остатки добавок на продольном сечении анода после дугового разряда. На основании этих экспериментальных фактов был сделан вывод о следующем механизме анодного разбрызгивания в дуговом разряде: образование пузырьков присадок при температурах выше температуры их кипения, разрыв пузырьков на поверхности, образование струи микроплазмы, удлинение и отрыв столба жидкости под действием электромагнитная сила и, как следствие, высокоскоростной выброс капель.

Электрический разряд возникает, когда электрический ток протекает через проводящую газовую среду, состоящую из электронов и ионизированных молекул и атомов. Такая среда называется плазмой. Дуговой разряд — это тип электрического разряда, вызываемый низким напряжением и большим током между катодом и анодом при атмосферном давлении. Поскольку дуговые разряды могут создавать чрезвычайно высокие температуры (> 10 000 К), дуговая плазма применяется в качестве уникального источника тепла при высокоскоростной резке и соединении металлов1,2,3. Более того, он привлекает научное и промышленное внимание как многообещающий инструмент для изготовления трехмерных материалов, известный как аддитивное производство4,5. Благодаря своей высокой яркости дуговая плазма также используется в качестве источника света. Поскольку в ближайшем будущем ожидается, что фотогальваника станет источником устойчивой электроэнергии, повышение эффективности преобразования солнечного света в электричество является доминирующей социальной проблемой6,7. Для точного измерения эффективности преобразования необходим стабильный источник света со спектром излучения, эквивалентным солнечному свету. К источникам света, удовлетворяющим этим требованиям, относятся дуговые ксеноновые лампы и дуговые металлогалогенные лампы8,9,10. Недавно мы выявили уникальную динамику поверхности расплавленного электрода, взаимодействующей с плазмой дуги. Настоящая статья развивает эти выводы.

Катод испускает термоэлектронные электроны при нагревании до высокой температуры. Когда ток дуги в достаточной степени обеспечивается только за счет термоэлектронной эмиссии, плазма дуги остается относительно стабильной. По этой причине материал катода должен быть твердым или жидким даже при температуре выше 3000 К. Обычным материалом катода является вольфрам, имеющий высокую температуру плавления и высокую температуру кипения. Более того, вольфрам, легированный несколькими весовыми процентами оксидов, имеет более низкую эффективную работу выхода и меньшую термоэлектронную эмиссию, чем чистый вольфрам. Следовательно, температура катода снижается и эрозия катода подавляется11,12. Кроме того, учитывая диффузию и испарение добавок в катоде, исследователи улучшили прогнозы эрозии катода13,14.

Хотя явления катода на основе вольфрама во время дугового разряда хорошо изучены, явления анода на основе вольфрама в значительной степени необъяснимы. Одним из таких явлений является разбрызгивание расплавленного анода. Поскольку ток дуги может быть как постоянным (DC), так и переменным током (AC)15,16,17, один электрод на основе вольфрама становится и катодом, и анодом. Однако физика анодов на основе вольфрама плохо изучена, поэтому электродные явления во время дугового разряда переменного тока (который более сложен, чем дуговой разряд постоянного тока) остаются неизвестными. В частности, разбрызгивание расплавленного анода ускоряет эрозию анода и препятствует образованию стабильной дуговой плазмы. Кроме того, разбрызгивание расплавленных металлов вызывает загрязнение и снижает качество таких применений, как дуговые лампы, соединение материалов и аддитивное производство. В нескольких исследованиях также сообщалось, что часть расплавленного катода выбрасывается в виде капель во время дугового разряда постоянного тока18,19. Примечательно, однако, что эти исследования проводились в особых условиях сразу после зажигания или гашения дуги18,19. Напротив, мы наблюдали выбросы капель из вольфрамового анода при непрерывной работе дугового разряда. Исследование выявило динамику и механизм процесса разбрызгивания на поверхности вольфрамового анода при длительном дуговом разряде постоянного тока. Эти новые открытия принесут пользу как науке, так и промышленному применению дугового разряда.