Исследование режимов магнитно-импульсного прессования для получения тонкостенных трубчатых твердооксидных элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат наук Спирин, Алексей Викторович

• Спирин, Алексей Викторович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Спирин, Алексей Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ МЕТОДА МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕССОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1. Элементы с твердым электролитом и устройства на их основе

1.2. Радиальное магнитно-импульсное прессование

1.2.1. Особенности получения трубчатых электролитов

формованием порошков

1.2.2. Использование комбинированного подхода для изготовления тонкостенных трубчатых изделий из керамики

1.2.3. Перспективы использования индукционного сжатия проводящих оболочек для радиального магнитно-импульсного прессования

1.2.3.1. Диффузия магнитного поля в трубчатую оболочку и

связанные с ней эффекты

1.2.3.2. Типы индукторных систем

1.3. Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИНДУКЦИОННОГО СЖАТИЯ ПРОВОДЯЩИХ ОБОЛОЧЕК

2.1. Теоретическая часть

2.1.1. Динамика схлопывания тонкостенной оболочки. Грубое приближение

2.1.2. Возможности строгого описания процесса радиального магнитно-импульсного прессования в индукционном режиме

2.2. Экспериментальная часть

2.2.1. Устройство и характеристики экспериментального оборудования

2.2.1.1. Генератор импульсных токов

2.2.1.2. Нагрузка генератора - спиральный однослойный индуктор

Расчет электрических параметров индуктора

Конструкция индуктора и его изготовление

Исследование характеристик индукторов

2.2.2. Эксперимент

2.2.2.1. Объекты исследования

2.2.2.2. Методика исследований и средства измерения

2.2.2.3. Постановка эксперимента

2.2.2.4. Результаты и обсуждение

2.3. Выводы к главе

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ТРУБЧАТОГО ТВЕРДООКСИДНОГО ЭЛЕМЕНТА РАДИАЛЬНЫМ ПРЕССОВАНИЕМ ПЛЕНОК ИЗ НАНОПОРОШКОВ

3.1. Методы анализа и средства измерения

3.2. Исходные материалы

3.3. Изготовление пленок из порошков способом литья

3.4. Процедура изготовления компактных трубчатых заготовок из пленок

3.4.1. Подготовка пленки и формирование заготовки

3.4.2. Пресс-инструмент и его подготовка

3.4.3. Магнитно-импульсное формование и спекание

3.5. Компоненты трубчатого твердооксидного элемента. Твердый электролит и катод

3.5.1. Трубчатый электролит

3.5.1.1. Определение условий магнитно-импульсной обработки

3.5.1.2. Характеристики трубчатых изделий

3.5.2. Трубчатый катод

3.6. Выводы к главе

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР ТВЕРДООКСИДНОГО ЭЛЕМЕНТА

4.1. Особенности совместного формирования структуры твердооксидного элемента с разнородными слоями

4.2. Тонкостенный твердооксидный элемент с многокомпонентой структурой

4.2.1. Исследование условий магнитно-импульсной обработки двухкомпонентной структуры

4.2.2. Характеристики многокомпонентных структур

4.3. Электрохимические устройства на основе твердооксидных элементов

4.4. Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование режимов магнитно-импульсного прессования для получения тонкостенных трубчатых твердооксидных элементов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований

Для многих областей современной техники существует потребность в изделиях трубчатой формы из керамики. При этом отдельной технической проблемой является формирование керамических труб с тонкой стенкой, порядка 0,1-0,2 мм, выполняющих функции мембран различного назначения. Получение таких изделий традиционными способами такими, как экструзия, шликерное литье, мундштучное и изостатическое прессование и др. [1], наталкивается на существенные трудности. К примеру, методом экструзии термопластичных масс на основе оксидных порошков в лучшем случае удается получать трубы с толщиной стенки не менее 0,3 мм [2-4], в других способах не достигнут и этот уровень.

За последние несколько десятилетий широкое развитие получили динамические методы уплотнения твердых порошков, среди которых магнитно-импульсный метод прессования (МИП) приобретает все большее значение. Работы по магнитно-импульсной обработке применительно к прессованию порошков аккумулировали опыт нескольких десятилетий в области физики и техники сильных импульсных магнитных полей, который отражен в многочисленных работах ряда выдающихся исследователей: С. Фонера и Г. Колма, В. Р. Карасика, Г. Кнопфеля, Ф. Херлаха, Н. Миуры, Г. А. Шнеерсона, В. И. Ожогина, и других ученых [5-18]. Основные принципы МИП были сформулированы еще во второй половине XX века в работах Д. Сандстрома, Ю. К. Барбаровича, В. А. Миронова и других исследователей [19-22], в которых МИП обычно применяли для получения изделий из крупнодисперсных металлических и металлокерамических порошков.

Применение метода МИП для получения изделий из высокотвердых оксидных нанопорошков впервые реализовано научным коллективом Института электрофизики УрО РАН [23-27]. Высокая эффективность метода при прессовании нанопорошков обусловлена кинетическим механизмом уплотнения наночастиц в условиях высоких импульсных давлений [26]. Использование наноразмерных порошков открывает новые возможности в методах синтеза керамики и обеспечении высоких эксплуатационных характеристик изделий из нее - электрических, механических и других, в зависимости от функционального назначения [28,29].

В настоящее время известно ограниченное количество способов получения объемных керамических материалов из нанопорошков с применением высокоинтенсивных воздействий. В частности, в работах О. Л. Хасанова с коллегами развит перспективный способ компактирования твердых нанопорошков с использованием интенсивного воздействия ультразвуком, позволяющий получать изделия сложных форм [30-31]. Для получения изделий из нанострукгурных керамик активно развивается метод искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering). В этом ряду радиальное магнитно-импульсное прессование (РМИП) порошков в проводящих оболочках представляется целесообразным именно для получения тонкостенных трубчатых изделий благодаря симметрии воздействия и возможности создания высоких давлений.

Первые работы по применению РМИП нанопорошков с целью получения тонкостенных трубчатых изделий из керамики были выполнены в ИЭФ УрО РАН в начале 2000-х годов. Компактные трубчатые заготовки для спекания получали посредством электродинамического сжатия проводящих тонкостенных оболочек, заполненных нанопорошком. Полученные образцы характеризовались тонкой структурой и высокой относительной плотностью керамики, при внешнем диаметре 14 мм имели относительно толстую стенку, 0,5-0,6 мм, [25,27]. Дальнейшее уменьшение толщины стенки формуемой трубы оказалось затруднительным в виду сложности обеспечения однородной укладки нанопорошка в узком цилиндрическом зазоре внутри пресс-инструмента и трудностей, связанных с извлечением тонкостенного порошкового компакта. В данной работе предлагается вариант решения этой проблемы, заключающийся в предварительном формировании на оправе трубчатой заготовки из пленки на основе нанопорошка с полимерным связующим и ее последующем прессовании. Это позволит существенно снизить толщину изделия, точнее ее регулировать и контролировать, а также обеспечит механическую прочность спрессованной заготовки. Кроме того, становится возможным формирование заготовки с несколькими функциональными слоями из различных материалов путем их совместного прессования в монолитный компакт и получения совместным спеканием многослойной керамической структуры. Для реализации данного подхода в настоящей работе использован индукционный режим РМИП с использованием сжатия проводящей тонкостенной оболочки давлением внешнего сильного импульсного магнитного поля индуктора, что является более технологичным по сравнению с электродинамическим режимом сжатия оболочек.

Использование сильных импульсных магнитных полей накладывает ограничение на срок службы индукторной системы, который для большинства конструкций составляет уровень нескольких сотен включений. Это может быть оправдано при использовании индукторов в однократных исследовательских экспериментах, однако для промышленного производства ресурс эксплуатации индукторов должен составлять как минимум десятки тысяч включений. В литературе особенностям создания силовых импульсных индукторов посвящено большое количество работ, к примеру, [5-16]. Тем не менее, для наиболее применимых для этих целей индукторных систем на основе однослойных спиральных соленоидов задача многократной генерации сильных магнитных полей до конца не решена, причем немаловажным также является разработка дешевых в изготовлении конструкций неразрушаемых соленоидов. Это составляет важную техническую задачу.

В данной работе прессование трубчатых заготовок из пленок осуществляется посредством давления буферного порошкового слоя, возникающего при его уплотнении радиально сжимающейся тонкостенной проводящей оболочкой в импульсном магнитном поле индуктора. Это позволяет выгодно использовать инерционные эффекты в оболочке и порошке, обусловленные динамическим характером процесса, для генерации необходимого давления прессования заготовки из пленки, многократно превышающего давление магнитного поля индуктора [32]. Этот эффект дает возможность использовать индуктор в режиме генерации умеренно сильных магнитных полей с амплитудой не более 25 Тл и длительностью порядка 100 мкс.

Получаемые предложенным способом тонкостенные трубы, в частности, из электропроводной керамики на основе стабилизированного ИгОг (твердый электролит), весьма востребованы для разработки твердооксидных устройств [33-36]. В этих устройствах элементы на основе твердого оксидного электролита - твердоооксидные элементы, являются важнейшим компонентом конструкции, определяющим их эксплуатационные характеристики. В структуре твердооксидного элемента наряду с электролитом содержатся и слои из других керамических или металлокерамических материалов, выполняющих функцию электродов элемента. Поэтому предложенный способ является перспективным подходом к формированию многослойной структуры твердооксидного элемента посредством совместного прессования разнородных функциональных слоев и их спекания.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы является разработка способа получения тонкостенных

трубчатых твердооксидных элементов с многослойной структурой типа «электрод-

электролит-электрод» с использованием радиального магнитно-импульсного прессования

полимер-керамических пленок из нанопорошков и их последующего спекания.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

1. Разработка и изготовление индукторных систем и оснастки для осуществления прессования заготовок из полимер-керамических пленок.

2. Исследование режимов обработки импульсным давлением многослойных заготовок из пленок на стержне посредством сжатия буферного порошкового слоя внешней медной оболочкой, находящейся в продольном импульсном магнитном поле индуктора, включающее экспериментальное исследование динамики сжатия пустых и заполненных порошком оболочек, сравнение результатов с численным моделированием процесса сжатия и теоретическое исследование в расширенном диапазоне параметров.

3. Отработка получения монолитных трубчатых компактов радиальным магнитно-импульсным прессованием многослойных заготовок из полимер-керамической пленки на основе нанопорошка твердого электролита или катода для получения последующим спеканием при температуре ниже 1300°С труб из твердого электролита с толщиной стенки 0,1-0,5 мм при относительной плотности керамики не ниже 0,97 и масштабом кристаллической структуры в субмикронном диапазоне, а также труб катода с высокой открытой пористостью.

4. Исследование возможности получения монолитных трубчатых компактов радиальным магнитно-импульсным прессованием многослойных заготовок из полимер-керамических пленок, содержащих, по крайней мере, два функциональных слоя твердооксидного элемента, например, слоя катода ЦЗМ и электролита Увг, для получения спеканием при температуре ниже 1300°С целой структуры с газоплотным слоем электролита и пористым слоем электрода.

5. Определение геометрических параметров трубчатых образцов, толщины стенки, диаметра и длины, ис следование микроструктуры, газоплотности электролита и пористости электродов, а также электрических и электрохимических характеристик.

Научная новизна

Предложены технические решения, позволяющие изготавливать индукторы для генерации сильных импульсных магнитных полей (до 30 Тл) в большом объеме с высоким эксплуатационным ресурсом, которые могут быть использованы для решения важных технических задач магнитно-импульсной обработки материалов.

Разработан способ получения и конструкция трубчатых твердооксидных элементов с многослойной структурой, в которых твердый электролит толщиной 0,1-0,15 мм может быть использован в качестве несущего компонента.

Исследования электрохимических характеристик полученных твердооксидных элементов в режиме водород-воздушного твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) и кислородного насоса (КН) показали высокую эффективность изготавливаемых элементов. Удельная мощность исследовательских ячеек ТОТЭ составила более 1 Вт/см2 при 950°С. Полученные результаты находятся на уровне мировых достижений.

Практическая значимость

С применением предложенного способа, магнитно-импульсного прессования (ламинирования) полимер-керамических пленок и последующего спекания, получены экспериментальные образцы тонкостенных трубчатых ТОТЭ, прошедшие успешные испытания воФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ» им. академ. Е. И. Забабахина (г. Снежинск).

Конструкции разработанных трубчатых элементов, способы их получения, а также конструкции и способы изготовления батарей ТОТЭ защищены патентами [37-39].

В качестве альтернативы предложенный способ позволяет получать прочные трубчатые керамики сложной формы (тел вращения) и на основе других функциональных оксидных материалов, например, оксида алюминия, оксида иттрия [40] и др. для различных областей техники.

Эффект многократного усиления импульсного давления в буферном слое порошка при скоростном сжатии тонкостенной оболочки в сильном импульсном магнитном поле может быть использован на практике для обработки материалов высоким импульсным давлением в "безударном" режиме-с плавным нарастанием импульсного давления.

Положения, выносимые на защиту

1. Конструкция магнитно-импульсного индуктора, разработанная на основе широко распространенной конструкционной стали типа ЗОХГС для генерации импульсного магнитного поля в объеме до 140 куб.см амплитудой до 25 Тл и длительностью порядка 100 мкс, обеспечивает высокий ресурс эксплуатации, более 104 импульсов.

2. В процессе сжатия тонкостенной проводящей оболочки с порошком в сильном импульсном магнитном поле при согласовании параметров оболочки, порошкового слоя и импульса магнитного поля реализуется многократное усиление импульсного давления прессования по отношению к амплитуде ускоряющего магнитного давления. Экспериментально показано, что в полях амплитудой около 20-25 Тл с длительностью 100 мкс увеличение импульсного давления в эксперименте составляло 2,5 раза.

3. Радиальное сжатие тонкостенной проводящей оболочки в импульсном магнитном поле индуктора амплитудой 20-25 Тл и длительностью 100 мкс обеспечивает формование монолитных трубчатых компактов с толщиной стенки 0,12-0,6 мм из полимер-керамических пленок на основе наноразмерных порошков, прессуемых через буферный порошковый слой.

4. Посредством радиального магнитно-импульсного прессования и последующего спекания заготовок из нанопорошков при температуре до 1200°С получены тонкостенные газоплотные трубы твердого электролита с толщиной стенки 0,1-0,5 мм, средним диаметром 9-12 мм и длиной до 110 мм из керамики кубического (8,5-9)YSZ, характеризующейся субмикронным масштабом зеренной структуры и относительной плотностью 0,97-0,99. Ионная проводимость керамики твердого электролита близка к проводимости монокристалла того же состава.

5. Совместным прессованием многослойных заготовок с разнородными слоями из полимер-керамических пленок на основе нанопорошков и спеканием получены тонкостенные трубчатые твердооксидные элементы на несущем газоплотном твердом электролите из тонко структурированной керамики кубического (8,5-9)У82 длиной до 55 мм при толщине стенки 0,14-0,2 мм с двух- и трехкомпонентной структурой, включающей электродные слои на основе ЬБМ и №-кермета с открытой пористостью 20-30%. На основе серии твердооксидных элементов длиной 30-50 мм созданы

прототипы модуля на ТОТЭ (200 Вт / 900°С / водород) и генератора кислорода на элементах кислородного насоса (9 л/ч / 800°С / 50 Вт).

Апробация работы

Научные результаты докладывались на семинарах и конференциях молодых ученых ИЭФ УрО РАН (2005-2010), Всероссийской конференции "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем" ФХУДС-VII (2005), Всероссийской конференции с международным участием "Топливные элементы и энергоустановки на их основе" (2006, 2010), Всероссийской конференции «НАНО-2007», XIV Российской конференции по физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов (2007), Российской конференции "Физические проблемы водородной энергетики" (2007, 2010), Совещании «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела» (2006, 2008, 2010), VIII Международной Конференции «Mechanochemical Synthesis and Sintering» (2004), Международной конференции «Megagauss. Magnetic Fild Generation and Related Topics» (2002, 2004), Международном Форуме по Нанотехнологиям «Rusnanotech» (2008, 2009), Международной конферен ции «15th Inter national S ymposium on High -Current Electronics (15th SHCE)» (2008), Международной Конференции по Ионике Твердого Тела «SSI» (2011), Международном керамическом конгрессе «CIMTEC» (2006, 2010).

Публикации

Результаты диссертационной работы изложены в одной монографии [32], 12 статьях в рецензируемых изданиях, в том числе: в российских журналах [41-46], в зарубежных журналах [25,47-51], в трудах 3 конференций: одной всероссийской [52], и двух международных [53-55], получено пять патентов [37-39,56,57].

Соответствие паспорту специальности

Проведенные автором исследования полностью соответствуют области, отмеченной в паспорте специальности - Шифр 01.04.13 «Электрофизика, электрофизические установки».

Личный вклад автора

Автор принимал активное участие в модернизации и отладке генератора импульсных токов на основе емкостного накопителя энергии (135 кДж), разработке оборудования для электродинамического и индукционного режимов РМИП порошков. Выполнил численные оценки динамики сжатия различных оболочек в магнитном поле соленоида, планирование и проведение экспериментов по экспериментальному исследованию диффузии и силового действия магнитного поля на трубчатые оболочки, анализ результатов. Разработал пресс-инструмент и вспомогательное оборудование для проведения экспериментов по прессованию труб из полимер-керамических пленок. Обеспечил сопровождение и анализ результатов по исследованию характеристик исходных материалов и полученных изделий. Разработал конструкции тонкостенного элемента для прототипов твердооксидных устройств и участвовал в их испытаниях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит перечень сокращений и обозначений, список цитируемой литературы и четыре приложения. Работа содержит 142 страницы, включает 96 рисунков, 18 таблиц, 46 формул и список литературы из 94 наименований.

13

ГЛАВА 1

ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ МЕТОДА МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕССОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В данной главе приведено описание наиболее перспективной области, где находят применение тонкостенные трубчатые изделия из керамики - в твердооксидных устройствах на основе твердооксидных топливных элементов и элементов кислородного насоса. Описан принцип их действия, конструктивное исполнение твердооксидных элементов этих устройств и основные способы их изготовления, среди которых магнитно-импульсное прессование обретает не последнее значение. Определены требования, предъявляемые к трубчатой конструкции элемента. Приведено описание магнитно-импульсного способа прессования, его режимов - электродинамического и индукционного, а также особенностей каждого из них. Кратко описаны различные типы индукторных систем и выделен наиболее оптимальный для решения поставленной цели. Сформулирована концепция нового подхода в формировании тонкостенных трубчатых твердооксидных элементов посредством РМИП заготовок из пленок на основе наноразмерных порошков с полимерным связующим. Определены задачи, которые нужно решить для достижения цели.

1.1. Элементы с твердым электролитом и устройства на их основе

Твердооксидный элемент представляет собой плотную разделительную мембрану из оксидного материала с анионной (кислородной) проводимостью - твердого электролита, которая имеет в контакте с противоположными поверхностями пористые электроды, обладающие преимущественно электронной проводимостью. Твердые электролиты по своей сути есть кристаллические материалы, в структуре которых имеются вакантные анионные (кислородные) позиции. Способность "свободных" анионов передвигаться по этим вакантным позициям вследствие концентрационной диффузии и определяет проводимость данных материалов. Для активации диффузионного процесса переноса заряда и обеспечения приемлемой проводимости твердого электролита требуется достаточно высокая температура, которая обычно составляет для твердооксидных

устройств порядка 800-1000°С. К примеру, проводимость традиционного материала твердого электролита - керамики на основе Zr02, стабилизированного 8,5-9 мол.% У20з (твердый раствор на основе Ъг02 с кубической структурой), при температуре 850°С составляет порядка 0,05 См/см [51].

Высокая температура и селективная проводимость твердого электролита позволяют осуществлять на электродах твердооксидного элемента, в области существования всех фаз - электрода, электролита и газообразного реагента (трехфазной границы), окислительно-восстановительные реакции: электрохимическое, беспламенное окисление топлива (Нг, СО + Н2) для генерации электроэнергии, реализующееся в ТОТЭ, электролиз газов для получения водорода разложением водяных паров в электролизерах и кислорода экстракцией из воздуха в кислородных насосах, парциальное окисление легких углеводородов для получения синтез-газа (СО + Нг) в топливных процессорах и др.

Кислородный насос с твердоонсидным электролитом работает на принципе электрохимической экстракции (перекачивании) кислорода из катодного пространства, заполненного кислородсодержащей газовой смесью, в анодное [36,58]. Этот процесс может быть широко использован для получения чистого кислорода из атмосферного воздуха, как в медицине, так и в химической, металлургической технологии для очистки инертных газов от кислорода - получения защитных атмосфер высокой чистоты, а также для точного дозирования кислорода в газы и расплавы.

Твердооксидный элемент КН (рис. 1.1а) способен работать при перенапряжении на нем, начиная от значения ЭДС. концентрационной цепи "катод (воздух) - анод (чистый кислород)", которое составляет -40 мВ (800-900°С) и вплоть до потенциала разложения твердого электролита, -1,3 В (для УБг) [58]. При этом согласно основному закону электролиза поток генерируемого кислорода О пропорционален протекаемому через элемент току Л как О = где Р - постоянная Фарадея. Оценка удельных энергозатрат снизу (при малых токах) дает значения 0,16-0,19 кВгч/м3 при температуре 700-900°С [58]. Безусловно, в реальных элементах при протекании повышенных токов эта величина возрастает по причине существования потерь на поляризацию электродов элемента и на омическом сопротивлении электролита и электродов. Поэтому последним необходимо уделять должное внимание при разработке элемента. На сегодняшний день с использованием традиционных материалов и технологий могут быть реализованы элементы КН с энергозатратами порядка 3-3,5 кВгч/м3 при плотностях тока 0,5-0,6 А/см2.

Для оценки производительности О генератора с Л/ единичными элементами можно воспользоваться простым соотношением, Q=k■J^N (л/ч), где к = 0,21 л/А, J - полный ток.

Ог+4е воздух

0,+4е

воздух

Рис. 1.1 - Принцип действия КН (а) и ТОТЭ (б): 1 - электролит, 2 - катод, 3 - анод

# 0„ 99,99% 2СУ —О +4ё (3)

топливо«

вода

4е+2Н,0 (3)

Первые разработки генераторов кислорода на твердом электролите в России относятся к началу 1990-х годов, которые проводились в Институте высокотемпературной электрохимии (ИВТЭ УрО РАН). Под руководством А. С. Пипилина был создан прототип генератора кислорода производительностью 0,08 м302/ч (900°С, 1 А/см2), построенный на трубчатых элементах из твердого электролита YSZ (диаметр 10 мм, толщина 0,4 мм). Отметим, что для целей медицины существует объективная потребность в компактных генераторах производительностью порядка 1 м302/ч, которые могут стать реальной альтернативой устройствам, основанным на использовании адсорбционных колонок той же производительности [45].

Твердооксидные топливные элементы с точки зрения конструктивного исполнения и протекающих в них процессов являются более сложными твердооксидными устройствами, чем рассмотренные выше кислородные насосы. Тем не менее, принцип действия электрохимической ячейки ТОТЭ весьма схож с КН. Так, катодная реакция остается той же самой, при этом в анодное пространство подается топливо, например, самое простое - водород (рис. 1.16). На аноде ТОТЭ происходит электрохимическое окисление водорода прошедшим сквозь электролит ионом кислорода с образованием воды, при котором высвобождаются электроны (прямое преобразование). Наличие внешней цепи сопротивления, соединяющей катод и анод элемента, позволяет электронам с анода вернуться на катод, во внешней цепи появляется ток и совершается полезная работа. При этом ЭДС. электрохимической ячейки ТОТЭ, побуждающая

протекание тока, находится в пределах 0,9-1,2 В в интервале температур 600-1000°С для различных типов анодных реакций [33,34]. Отметим, что в качестве топлива наряду с водородом могут быть использованы любые углеводороды, преобразованные в синтез-газ, включая отходы жизнедеятельности. Привлекательность генераторов на ТОТЭ от портативных источников тока (10-500 Вт) до автономных стационарных электростанций (110 МВт) обусловлена высокой эффективностью прямого преобразования химической энергии топлива в электричество. На сегодняшний день КПД лабораторных устройств достигает уже 50%. Первые разработки генераторов на ТОТЭ в России относятся к 1980-м годам (ИВТЭ УрО РАН), которые в свое время являлись прорывом в этой области. На сегодняшний день по объективным причинам Россия утратила свои лидирующие позиции.

Как уже стало понятным принципиально и конструктивно твердооксидные элементы рассматриваемых типов устройств весьма схожи. Отличием является использование различного типа электродных материалов, который определяется химической стойкостью к используемой атмосфере (окислительной или восстановительной) и каталитической активностью для осуществления соответствующей реакции. Поэтому в качестве анодов ТОТЭ используют металлокерамику - композиты на основе металла (часто Ni) и материала твердого электролита. В этом отношении твердооксидный элемент КН представляет более простую систему, в которой анод и катод могут быть выполнены из одинакового материала, поскольку оба находятся в окислительной атмосфере. Примером материала катода, часто используемого с YSZ, является электропроводная керамика на основе манганита лантана, легированного стронцием, Lai-xSrxMn03 (LSM, х~0,3), имеющего кристаллическую структуру типа перовскита [59]. Реально катод также является композиционным - смесью LSM и YSZ. Общим требованием к электродам рассматриваемых систем является их высокая пористость, которая необходима для беспрепятственного доступа газообразных реагентов к зоне реакции, а также отвода продуктов реакции и инертных компонентов. Следует выделить две основные конструкции ТОЭ, принятые для промышленного освоения: планарную (элемент представляет собой пластину) и трубчатую. С переменным успехом параллельно развиваются обе конструкции, однако большинством зарубежных разработчиков предпочтение отдается планарной конструкции элемента, как КН [60], так и ТОТЭ [61], из-за возможности использования наиболее простых способов изготовления - литья пленок (Таре Casting), каландрования (Tape Calendering), трафаретной печати (Screen Printing) и различных

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Спирин, Алексей Викторович, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Осокин Е. Н. Процессы порошковой металлургии. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: курс лекций / Е. Н. Осокин, О. А. Артемьева. - Электрон, дан. (5 Мб). - Красноярск: ИПК СФУ, 2008. - 1 электрон, опт. диск (DVD).

2. Trunec M. Fabrication of zirconia- and ceria-based thin-wall tubes by thermoplastic extrusion / M. Trunec // J. Europ. Ceram. Soc. - 2004. - Vol. 24. - P. 645-651.

3. Fabrication of 8-YSZ thin-wall tubes by powder extrusion moulding for SOFC electrolytes / T. Jardiel [et al.] // Ceram. Int. - 2009. - Vol. 35. - P. 2329-2335.

4. Sammes N. M. Fabrication and Characterization of Tubular Solid Oxide Fuel Cells / N. M. Sammes, Y. Du // Int. J. Appl. Ceram. Technol. - 2007. - Vol. 4, Iss. 2. - P. 89-102.

5. Foner S. Coils for the Production of High-Intensity Pulsed Magnetic Fields / Simon Foner, Henry Kolm // The Review of Scientific Instruments. - 1957. - Vol. 28, N. 10. - P. 799-807.

6. Карасик В. P. Физика и техника сильных магнитных полей / В. Р. Карасик; под ред. К. П. Белова. - М.: Наука, 1964. - 348 с.

7. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля: методы генерации и физические эффекты, связанные с созданием импульсных полей мегаэрстедного диапазона / Гейнц Кнопфель; [пер. с англ. Ф. А. Николаева и Ю. П. Свириденко]. - М.: Мир, 1972.-392 с.

8. Дрансфельд К. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение / К. Дрансфельд, Я. Хайду, Ф. Херлах, Г. Ландвер, Г. Маре, Н. Миура, Д. Монтгомери, М. Мотокава, Л. Роеланд, К. Шинкель; [пер. с англ. / под ред. Ф. Херлаха]. - М.: Мир, 1988. -456 с.

9. Herlach F. High magnetic fields: Science and technology (Theory and Experiments II): Vols. 1-3 / Edit, by Fritz Herlach and Noboru Miura. - Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2006. - Vol. 3. - 311 p.

10. Лагутин А. С. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте / А. С. Лагутин, В. И. Ожогин. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 198 с.

11. Lagutin A. Development of reliable 70 Т pulsed magnets / A. Lagutin, K. Rossel, F. Herlach, J. Vanacken, Y. Bruynseraede // Meas. Sci. Technol. - 2003. - Vol. 14. - P. 2144-2150.

12. Шнеерсон Г. А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов / Герман Абрамович Шнеерсон. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1992. -416 с.

13. Шнеерсон Г. А. Конфигурации аксиально-симметричных квазибессиловых магнитных систем. Ч. II / Г. А. Шнеерсон, И. А. Вечеров, Д. А. Дегтев, О. С. Колтунов, С. И. Кривошеее, С. Л. Шишигин // ЖТФ. - 2008. - Т. 78, Вып. 10. - С. 29-39.

14. Адамьян Ю. Э. Диффузия импульсного поля и электромагнитные силы в ферромагнетиках / Ю. Э. Адамьян Е. А. Вырва, С. И. Кривошеее , В. В. Титков //ЖТФ. — 2013. — Т. 83, N 10.-С. 1-7.

15. Кривошеее С. И. Особенности электрического взрыва скин-слоя и формирования ударной волны в магагаусных магнитных полях / С. И. Кривошеев, В. С. Помазов, Г. А. Шнеерсон // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2012. - N 147. - С. 206-211.

16. Olson N. Т. Measurements of а 70 Т pulsed magnetic system with long operation life / N. Thomas Olson, J. Bandas, A. C. Kolb // J. Appl. Phys. - 1979. - Vol. 50, N 11. - P. 77687770.

17. Шнеерсон Г. А. Проникновение сильного импульсного магнитного поля в тонкостенный цилиндр, нагреваемый индуктированным током / Г. А. Шнеерсон // ЖТФ. - 1965. - Т. 35, № 12.-С. 2234-2239.

18. Волков Н. Б. Численное решение магнитогидродинамической задачи о сжатии магнитного потока проводящей оболочкой / Н. Б. Волков // Вестник харьковского политехнического института. - 1977. - № 123, Вып. 4: Магнитно-импульсная обработка металлов. - С. 42-49.

19. Sandstorm D.J. Consolidating metal powders magnetically / D. J. Sandstorm // Metal Progress. - 1964. - Vol. 86, №3. - P. 215-221.

20. Барбарович Ю. К. Использование энергии сильного импульсного магнитного поля для прессования порошков / Ю. К. Барбарович // Порошковая металлургия. - 1969. - №10. -С. 24-31.

21. Миронов В. А. Работает магнитный импульс / В. А. Миронов. - Рига: Зинатне, 1974. -87 с.

22. Миронов В. А. Магнитно-импульсное прессование порошков / В. А. Миронов. - Рига: Зинатне, 1980. - 196 с.

23. Эффективность динамического метода уплотнения наноразмерных порошков / В. В. Иванов [и др.] // Материаловедение. - 1997. - №5. - С. 49-55.

24. Пат. 2083328 Российская Федерация, МПК7 В 22 F 3/087. Способ импульсного прессования твердых порошков материалов и устройство для его осуществления / Иванов В. В., Паранин С. Н, Вихрев А. Н.; заявитель и патентообладатель Институт электрофизики Уральского отделения РАН (RU); Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt (DE).- N 94039190/02; заявл. 25.10.1994; опубл. 10.07.1997, Бюл. N 19-2 е.: ил.

25. Fabrication of Nanoceramic Thin Wall Tubes by Magnetic Pulsed Compaction and Thermal Sintering / V. V. Ivanov, S. Y. Ivin, V. R. Khrustov, Y. A. Kotov, A. M. Murzakaev, A. V. Nikonov, S. N. Paranin, A. V. Spirin // J. Science of Sintering. - 2005. - Vol. 37. - P. 55-60.

26. Иванов В. В. Получение наноструктурных керамик с использованием магнитно-импульсного прессования порошков: дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.13, 01.04.14 / Иванов Виктор Владимирович. - Екатеринбург, 1998. - 299 с.

27. Никонов А. В. Применение радиального магнитно-импульсного сжатия проводящих оболочек для формирования компонентов электрохимических устройств: дис. ... канд. техн. наук: 01.04.13/Никонов Алексей Викторович. - Екатеринбург, 2010.-99 с.

28. Электропроводность твердого электролита на основе диоксида циркония с размером зерна керамики в субмикронном диапазоне / В.В. Иванов, С.Н. Шкерин, Ап.А. Ремпель [и др.] // Доклады академии наук. - 2010. - Т. 433, № 2. - С. 206-208.

29. Андриевский Р. А. Наноструктурные материалы / Р. А. Андриевский, А. В. Рагуля. - М.: Академия, 2005. - 192 с.

30. Khasanov O.L. Compressibility of the structural and functional ceramic nanopowders/ O. L. Khasanov, E. S. Dvilis, V. M. Sokolov // J. of Europ. Ceram. Soc., 2007. - Vol. 27, N 2-3. -P. 749-752.

31. Хасанов О. Л. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий: учебное пособие / О. Л. Хасанов [и др.]. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.-269 с.

32*. Magnetic Pulsed Compaction of Nanosized Powders: Nanotechnology Science and Technology Series / G. Sh. Boltachev, K. A. Nagayev, S. N. Paranin, A. V. Spirin, N. B. Volkov - New York: Nova Science Publishers, 2009. - 96 p.

33. Advances in Solid Oxide Fuel Cells IV: Ceramic Engineering and Science Proceedings / Edit, by Prabhakar Singh and Narottam P. Bansal. - Hoboken, New Jersy: Wiley, 2009, -Vol. 29, Is. 5. - 296 p.

34. Minh N. Q. Science and technology of ceramic fuel cells / N. Q. Minh, T. Takahasi. -Amsterdam: Elsevier Science B.V., 1995. - 366 p.

35. Steele В. С. H. Materials science and engineering: The enabling technology for the commercialization of fuel cell systems / В. С. H. Steele // Journal of Materials Science. -2001.-Vol. 36.-P. 1053-1068.

36. Высокотемпературный электролиз газов / M. В. Перфильев, А. К. Демин, Б. Л. Кузин, А. С. Липилин. - М.: Наука, 1988. - 232 с.

37*. Пат. 2310256 Российская Федерация, МПК7 Н 01 М 8/12. Трубчатый элемент (его варианты) для батарей электрохимических устройств с тонкослойным твердым электролитом и способ его изготовления / Липилин А. С., Иванов В. В., Хрустов В. Р., Паранин С. Н., Спирин А. В.; заявитель Институт электрофизики Уральского отделения РАН: патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты",- N 2005139440/09; заявл. 16.12.2005; опубл. 10.11.2007, Бюл. N 31 -3 е.: ил.

38*. Пат. 2310952 Российская Федерация, МПК7 Н 01 М 8/12. Трубчатый элемент (его варианты), батарея трубчатых элементов с токопроходом по образующей и способы её изготовления / Липилин А. С., Иванов В. В., Хрустов В. Р., Паранин С. Н., Спирин А. В., Никонов А. В.; заявитель Институт электрофизики Уральского отделения РАН: патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты",- N 2005139441/09; заявл. 16.12.2005; опубл. 27.06.2007, Бюл. N 32 - 3 е.: ил.

39*. Пат. 2367065 Российская Федерация, МПК7 Н 01 М 8/12, 8/24. Модифицированный планарный элемент (его варианты), батарея

электрохимических устройств и способ его изготовления / Липилин А. С., Спирин А. В. , Ремпель Ал. А., Никонов А. В., Чухарев В. Ф., Паранин С. Н. ; заявитель и патентообладатель Институт электрофизики Уральского отделения РАН.- N 2008121783/09; заявл. 30.05.2008; опубл. 10.09.2009, Бюл. N 25-4 е.: ил.

40*. Fabrication of an Yttria Thin-Wali Tube by Radial Magnetic Pulsed Compaction of Powder-Based Tapes / J. G. Lee, S. J. Hong, J. J. Park, M. K. Lee, V. V. Ivanov [et al.] // Materials Transactions. -2010.-Vol. 51, N 9.-P. 1689-1693.

41*. Формирование многослойных структур твердооксидного топливного элемента / В. В. Иванов, А. С. Липилин, А. В. Спирин [и др.] //Альтернативная энергетика и экология. -2007. - №2.-С. 75-88.

42*. Развитие кислородных насосов на твердых оксидных электролитах / Д. А. Лялин, А. И. Груздев, А. С. Липилин, Ал. А. Ремпель, А. В. Никонов, А. В. Спирин // Альтернативная энергетика и экология. - 2008. - №10. - С. 51-57.

43*. Липилин А. С. Перспективы развития энергонапряженных систем на твердооксидных топливных элементах (концепция развития ТОТЭ - SOFC) / А. С. Липилин, А. В. Никонов, А. В. Спирин // Вестник Одесского национального университета. - 2009. - Т. 14, Вып. 11.-С. 71-78.

44*. Динамика цилиндрических проводящих оболочек в продольном импульсном магнитном поле / Г. 111. Болтачев, Н. Б. Волков, С. Н. Паранин, А. В. Спирин // ЖТФ. -

2010.-Т. 80, Вып. 6.-С. 1-9.

45*. Электрохимический элемент с твердооксидным электролитом и кислородный насос на его основе / А. В. Спирин , А. В. Никонов, А. С. Липилин [и др.] // Электрохимия. -

2011. - Т. 47, №5. - С. 608-617.

46*. Хрустов В.Р. Синтез керамик стабилизированного скандием оксида циркония: влияние предыстории нанопорошков / В. Р. Хрустов, А. В. Спирин // Ядерная физика и инжиниринг. Физика наноструктур. - 2011. - Т. 2, №1. - С. 1-6.

47*. Formation of a thin-layer electrolyte for SOFC by magnetic pulse compaction of tapes cast of nanopowders / V. V. Ivanov, A. S. Lipilin, Yu. A. Kotov, V. R. Khrustov, S. N. Shkerin, S.

N. Paranin, A. V. Spirin, A. S. Kaygorodov // Journal of Power Sources. - 2006. - Vol. 159, Is. 1.-P. 605-612.

48*. Densificaron of Nano-Sized Alumina Powders under Radial Magnetic Pulsed Compaction / S. Paranin, V. Ivanov, A. Nikonov, A. Spirin, V. Khrustov, S. Ivin, A. Kaygorodov, P. Korolev //Advances in Science and Technology. - 2006. - Vol. 45. - P. 899-904.

49*. Fabrication of Components for Solid Oxide Fuel Cells by Tape Casting and Magnetic Pulsed Compaction / A. Spirin, V. Ivanov, A. Lipilin [et al.] // Advances in Science and Technology. -2006. - Vol. 45. - P. 1879-1884.

50*. Solid Oxide Electrolyte Based Oxygen Pump / A. V. Spirin, A. S. Lipilin, V. V. Ivanov [et al.] II Advances in Science and Technology. - 2010. - Vol. 65. - P. 257-262.

51*. Scandia-stabilized zirconia doped with yttria: synthesis, properties, and ageing behavior / A. Spirin, V. Ivanov, A. Nikonov [et al.] // Solid State Ionics. - 2012. - Vol. 225. - P. 448-452.

52*. Формование цилиндрических заготовок из наноразмерных порошков магнитно-импульсным прессованием / А. В. Спирин [и др.] // VII Всероссийская конференция «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем»: труды конф. - М.: МИФИ, 2006. - С. 237-241.

53*. Radial Magnetic Pulsed С ompaction of Nanosized Ceramic Powders / S. Paranin, V. Ivanov, S. Dobrov, A. Nikonov, A. Spirin, V. Khrustov, S. Ivin // Megagauss X: proceedings of the Tenth International Conference on Megagauss Magnetic Field and Related Topics (Berlin, 2004) / Edit, by M. von Ortenberg. - Berlin: Humboldt University: Sarov, Russia, 2005. - P. 384-387.

54*. The Influence of the Conductive Shell Material on the Effectiveness of Magnetic Pulsed Compaction of Nanopowders / G. Sh. Boltachev, N. B. Volkov, S. N. Paranin, A. V. Spirin // 15-th International Symposium on High Current Electronics: proceedings. - Tomsk: IAO SB RAS, 2008. - P. 484-487.

55*. Deformation Dynamics of Radially Loaded Tubular Conductive Shell under High Pulsed Magnetic Field at Comparable Thickness of Wall and Skin-Layer / G. Sh. Boltachev, N. B. Volkov, S. N. Paranin, A. V. Spirin // 15-th International Symposium on High Current Electronics: proceedings. - Tomsk: IAO SB RAS, 2008. - P. 488-491.

56*. Пат. 2422952 Российская Федерация, МПК7 Н 01 М 8/12, С 04 В 35/48, В 82 В 1/00. Объемный твердый электролит для высокотемпературных электрохимических устройств и способ его изготовления / Липилин А. С., Шкерин С. Н., Никонов А. В., Спирин А. В., Иванов В. В., Паранин С. Н., Хрустов В. Р.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики Уральского отделения РАН.- N 2010116056/07; заявл. 22.04.2010; опубл. 27.06.2011, Бюл. N 18- 3 е.: ил.

57*. Пат. 2414776 Российская Федерация, МПК7 Н 01 М 8/12. Устойчивая суспензия изопропанольного шликера на поливинилбутиральной связке из нанопорошка с добавлением дисперсанта (варианты) и способ его получения / Пузырев И. С., Спирин А. В., Липилин А. С., Ятлук Ю. Г., Иванов В. В.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики Уральского отделения РАН; Учреждение Российской академии наук Институт органического синтеза им. И. Я. Постовского Уральского отделения РАН.- N 2010104605/07; заявл. 09.02.2010; опубл. 20.03.2011, Бюл. N 8. -Зс.: ил.

58. Электрохимический способ получения кислорода из воздуха. Энергетический аспект проблемы / Б. Л. Кузин, А. К. Демин, А. С. Липилин, М.В. Перфильев // Электрохимия. -1986.-Т. 22, № 9.-С. 1264-1266.

59. Fergus J. W. Electrolytes for solid oxide fuel cells / J. W. Fergus // Journal of Power Sources. - 2006. - Vol. 162. - P. 30-40.

60. Electrochemical Oxygen Separation Using Solid Electrolyte Ion Transport Membranes / D. L. Meixner [et al.] // J. Electrochem. Soc. - 2002. - Vol. 149, Iss. 9.-P. 132-136.

61. Bove R. Solid Oxide Fuel Cells: Principles, Design and State-of-the-Art in Industries / Roberto Bove // Recent trends in fuel cell science and technology / ed. by Basu S. - New York: Anamaya Publisher; New Delhi, India, 2007.-375 p.

62. Xianfeng J. Manufacturing Processes of Solid Oxide Fuel Cell Components / J. Xianfeng, H. Minfang, P. Suping // Key Engineering Materials. - 2007. - Vols. 336-338. - P. 498-501.

63. Slip casting combined with colloidal spray coating in fabrication of tubular anode-supported solid oxide fuel cells / J. Ding [et al.] // J. Europ. Ceram. Soc. -2008. - Vol. 28. - P. 31133117.

64. Kharton V. V. Transport properties of solid oxide electrolyte ceramics: a brief review / V. V. Kharton, F. M. B. Marques, A. Atkinson // Solid State Ionics. - 2004. - Vol. 174. - P. 135149.

65. The Grain Size Effect on the Yttria Stabilized Zirconia Grain Boundary Conductivity / V. Ivanov [et al.] // J. of Nanoscience and Nanotechnology. -2010. - Vol. 10. - P. 7411-7415.

66. Ionic conductivity of nanocrystalline yttria-stabilized zirconia: Grain boundary and size effects /O.J. Durafet al.]//Physical Review В.-2010.-Vol. 81.-P. 184301-1 (9).

67. Worldwide SOFC Technology Overview and Benchmark / L. Blum, W. A. Meulenberg, H. Nabielek [et al.] // Int. J. Appl. Ceram. Technol. - 2005. - Vol. 2, Is. 6. - P. 482-492.

68. Добров С. В. Моделирование магнитно-импульсного прессования длинномерных изделий из порошков / С. В. Добров, В. В. Иванов // ЖТФ. - 2004. - Т. 74, Вып. 4. - С. 35-41.

69. Laser Synthesis of Nanopowders / V. V. Osipov [et al.] // Laser Physics. - 2006. - Vol. 16, N 1. - P. 116-125.

70. Устюгов А. В. Исследование электролита из порошка YSZ / А. В. Устюгов, А. П. Ткаченко, В. Ф. Чухарев // V Всероссийская конференция «Физикохимия ультрадисперсных систем» (Екатеринбург, 9-13 октября 2000 г.): тез. докл. -Екатеринбург, 2000. - С. 341 - 342.

71. Ротенберг Б. А. Керамические конденсаторные диэлектрики / Б. А. Ротенберг. - СПб.: Гириконд, 2000. - 246 с.

72. Timakul P. Fabrication of electrolyte materials for solid oxide fuel cells by tape-casting / P. Timakul, S. Jinawath, P. Aungkavattana // Ceramics International. - 2008. - Vol. 34. - P. 867-871.

73. Cologna M. Sintering and Deformation of Solid Oxide Fuel Cells Produced by Sequential Tape Casting / M. Cologna, V. M. Sglavo, M. Bertoldi // Int. J. Appl. Ceram. Technol. - 2010. -Vol. 7.-P. 803-813.

74. Таблицы физических величин: справочник / под ред. акад. И. К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.

75. Михайлов В. М. О проникновении импульсного электромагнитного поля внутрь цилиндрической проводящей оболочки / В. М. Михайлов // Вестник харьковского политехнического института. - 1977. - № 123, Вып. 4: Магнитно-импульсная обработка металлов. - С. 24-35.

76. Алиханов С. Г. Охлопывание металлической оболочки под действием магнитного поля / С. Г. Алиханов [и др.] // ПМТФ. - 1966. - N 4. - С. 38-41.

77. ГОСТ Р 52318-2005. Трубы медные круглого сечения для воды и газа. Технические условия. - Введ. 2006-01-01. - М„ 2005. - 18 с.

78. Малыгин Г. А. Пластичность и прочность микро- и нанокристаллических материалов / Г. А. Малыгин // ФТТ. - 2007. - Т. 49, Вып. 6. - С. 961-982.

79. Болтачев Г. Ш. Моделирование радиального магнитно-импульсного уплотнения гранулярной среды в квазистатическом приближении / Г. Ш. Болтачев [и др.] // ЖТФ. -2007. - Т. 77. Вып. 10. - С. 58-67.

80. Модель динамического прессования гранулированной среды/ Г. Ш. Болтачев, Н. Б. Волков, В. В. Иванов, С. Н. Паранин // ПМТФ. - 2008. - Т. 49, № 2. - С. 211-215.

81. Болтачев Г. Ш. Анализ основных закономерностей динамического радиального уплотнения гранулированных сред / Г. Ш. Болтачев, Н. Б. Волков // ПМТФ. 2008. Т. 49. №6. С. 181-189.

82. Баранов М. И. Расчет эквивалентных электрических параметров индукторов с концентратором магнитного поля / М. И. Баранов, И. В. Белый // Вестник харьковского политехнического института. - 1977. - № 123, Вып. 4: Магнитно-импульсная обработка металлов.-С. 11-20.

83. Справочник по электротехническим материалам: в 3 т. / под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева. - 3-е изд., переб. - Л.: Энергоатомиздат. 1988. - Т. 3. - 728 е.: ил.

84. Марочник сталей и сплавов / А. С. Зубченко [и др.]; под общ. ред. А. С. Зубченко. - 2-е изд., доп. и испр. - М.: Машиностроение, 2003. - 784 е.: ил.

85. Решетов Д. Н. Детали машин: учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов / Д. Н. Решетов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989.-496 е.: ил.

86. Назаров Н. С. Измерение параметров электромагнитного деформирования / Н. С. Назаров, О. В. Роман, В. А. Миронов // Технология материалов. - 1975. - Вып. 3. - С. 9-16.

87. Phosphorus-Deoxidised Copper (High Residual Phosphorus) [Электронный ресурс]: [Data Sheet A6 - Cu-DHP. 1968 Edition]. - URL: www.copperinfo.co.uk/alloys/copper/tn27-high-conductivity-coppers-technical-data/a6.htm.

88. Аверьянов А. Г. Об определении динамической диаграммы растяжения материалов с помощью кольцевых образцов / А. Г. Аверьянов, Н. Н. Беклемишев, Г. С. Шапиро // Проблемы прочности. - 1980. - № 9. - С. 82-83.

89. Порохов В. А. Некоторые особенности влияния импульсов тока на пластичность металлов при высоких скоростях деформации / В. А. Порохов, В. Н. Кукуджанов // Проблемы прочности и пластичности. - 2005. - Вып. 67. - С. 132-142.

90. Mistier R. Е. Таре casting: Theory and Practice / R. E. Mistier, E. R. Twiname. - Westerville: The American Ceramic Society, 2000. - 298 p.

91. Effect of oxides on binder burnout during ceramics processing / S. Masia [et al.] // J. of Mater. Sci. - 1989. -V. 24. - P. 1907-1912.

92. Reactions between strontium doped lanthanum manganite and yttria stabilized zirconia. Part I. Powder samples / K. Wiik [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. - 1999. - Vol. 82. - P. 721-728.

93. Fabrication and characterization of thin and dense electrolyte-coated anode tube using thermoplastic coextrusion / Jong-Jae Sun [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. - 2006. - V. 89, Is. 5. -P. 1713-1716.

94. Novel co-extruded electrolyte-anode hollow fibres for solid oxide fuel cells / N. Droushiotis [et al.] // Electrochemistry Communications. - 2009. - V. 11. - P. 1799-1802.

Таблица П1.1

Этапы изготовления спирального индуктора

Этапы изготовления

Внешний вид

1. Изготовление заготовки спирали токарной обработкой круга с последующей механической обработкой поверхностей витков и острых кромок.

2. Изготовление отверстий под резьбу Мб (по 8 с каждого торца) для коммутации электродов, токовых и потенциальных.

3. Подготовка спирали к закалке. Для исключения деформаций спираль для закалки стягивалась на стержне с прокладкой между витков проволоки для обеспечения постоянного шага. После закалки спирали проводили чистовую обработку.

4. Коммутация электродов винтовыми соединениями.

5. Пайка электродов низкотемпературным припоем, например, ПСР с флюсом. После пайки головки винтов срезаются ровно по гайке. Спираль выдерживается в содовом растворе для удаления следов флюса, после чего паяные соединения обрабатываются механически.

6. Нанесение многослойной изоляции БФ-2. Спираль предварительно обезжиривали ацетоном, затем наносили клей методом окунания, высушивали на воздухе при комнатной температуре с одновременным вращением спирали. Окончательную сушку каждого слоя производили при температуре около 130°С в течение около часа. Процедуру повторяли 3 раза.

7. Укладка стеклотканевой изоляции. Стеклянную ленту ЛЭСБ (0,15 мм) укладывали вдоль витков спирали в несколько проходов обвиванием витка. Обеспечивали перекрытие слоев до половины ширины стеклянной ленты. Общее количество слоев стеклоткани между соседними витками - 6.

8. Сжатие спирали центральным стержнем и боковыми фланцами из текстолита (стеклотекстолита). Соединение фланца со стержнем герметизировали (для пропитки компаундом). Затем по внешней поверхности укладывали бандаж из стеклоленты.

9. Пропитка спирали в стеклотканевой изоляции полиамидным компаундом КП-50. На фотографии показана оснастка. Пропитку осуществляли вакуумно-нагнетательным способом. Отверждение компаунда осуществляли при температуре не ниже 140°С в течение 2 часов. Могут быть использованы аналоги: КП-50М, КП-307 и др.

10. Финальная сборка индуктора. На данном этапе индуктор сжимали внешними фланцами с помощью 4 шпилек М16, после чего центральный стержень извлекали. Свободные концы шпилек служат креплением для торцевых держателей образца в канале индуктора (на рисунке не показаны).

Расчет динамики движения оболочки из экспериментальных данных осуществляли в

следующей последовательности:

1. Регистрация осциллограмм с датчиков магнитного поля В1 и магнитного потока BS (ИС), пропорциональных производным магнитного поля и потока, соответственно (рис. П2.1);

2. Получение интегральных величин поля и потока с помощью численного интегрирования на ПК, в частности, полного потока (2.35) (рис. П2.2, кривая 1);

3. Построение вспомогательной величины Ф* (рис. П2.2, кривая 2) как Ф* = Ф(г)-5Д/).(5л -Sm), где Stk = ttRk2 - площадь, ограниченная конечным радиусом

оболочки после окончания движения. Вспомогательная величина Ф* имеет смысл на промежутках времени, когда оболочка не движется. При этом кривая Ф*, построенная до начала движения с подстановкой в формулу начального радиуса оболочки, а после конца движения - конечного, совпадает с внутренним потоком Ф,(?);

4. Построение аналитической зависимости потока Ф,(0 на промежутке времени, соответствующего сжатию (рис. П2.2, кривая 3). Возможность использования аналитической зависимости обусловлена предположением постоянства магнитного потока. На рис. П2.2 приведена зависимость внутреннего магнитного потока ФД), измеренная в эксперименте без движения стенки трубы (кривая 4). Для характерного вида этой кривой выбирался и вид аналитической зависимости. Была использована функция вида y(t) = a(\-e~b')-c.os(ct-d). Отметим, что вид функции оказывает несущественное влияние на конечный результат;

5. Определение величины Ф$) на всем промежутке времени, сшиванием данных аналитической зависимости с зависимостью Ф*, в какой-либо момент времени после окончания движения;

6. Определение величины R(t) согласно (2.36);

7. Определение скорости внешней поверхности оболочки численным дифференцированием полученной зависимости R(t).

мкс

Рис. П2.1 - Характерный вид осциллограмм сдатчиков В1 (1) и ВБ (2)

Рис. П2.2 - Характерный вид интегральных кривых: 1 - полный поток Ф(1), 2 - величина Ф*, 3 - кривая аппроксимации магнитного потока на промежутке времени, соответствующего сжатию оболочки, 4 -вид внутреннего потока ФД) при отсутствии движения оболочки

Ниже приведены графические данные по результатам исследования диффузии и силового действия продольного импульсного магнитного поля (поля соленоида) на проводящие тонкостенные оболочки из меди и алюминия.

0.6

150 200 t, мкс

350

100

300 350

150 200

t, МКС

Рис. ПЗ.З - Влияние геометрических размеров оболочки из алюминия на диффузию магнитного поля. Нормированные диффузионное (1, 2) и внешнее (3) магнитные поля в неподвижной алюминиевой оболочке при амплитуде внешнего магнитного поля Вет = 5 Тл: 1 - Al 18x1, 2 - Al 14x1 (2' - результат теоретического расчета)

150 200

t, МКС

350

Рис. П3.1 - Влияние материала оболочки (проводимости) на диффузию магнитного поля. Нормированные диффузионное (1-3) и внешнее (4) магнитные поля в неподвижной оболочке наружным диаметром О = 18 мм и толщиной стенки с) = 1 мм при амплитуде внешнего магнитного поля Вет = 5 Тл: 1 - медь, 2 - алюминий, 3 - сталь 12Х18Н10Т

Рис. П3.2 - Влияние геометрических размеров оболочки из меди на диффузию магнитного поля. Нормированные диффузионное (1-3) и внешнее (4) магнитные поля в неподвижной медной трубчатой оболочке при амплитуде внешнего магнитного поля Вет = 5 Тл: 1 - Си 18x1, 2 - Си 15x1, 3 - Си 14x0,5 (3' - результат теоретического расчета)

90 120 150 180 мкс

Рис. П3.4 - Влияние нагрева на диффузию магнитного поля внутрь неподвижной оболочки

018x1 из меди. (1-3) - нормированные диффузионные поля при различной амплитуде внешнего поля: 1 - 5 Тл, 2 - 8,5 Тл, 3-12 Тл. 4 - нормированное внешнее магнитное поле

60 80 100 120 140 160 t, мкс (a)

80 100 120 t, МКС

160

(б)

Рис. П3.5 - Временная зависимость внешнего и внутреннего магнитных полей при сжатии медной оболочки Си 18x1 при различных зарядных напряжениях: а - U0= 7 кВ (Ветах = 12 Тл, В,тах = 4,3 Тл), конечный диаметр - 12,8 мм; б - U0= 13 кВ (Ветах = 21,3 Тл, В,тах = 12 Тл), конечный диаметр - 8,9 мм

16 i 1 1 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 24

14 - \ВС - 20

12 - \ 16

^ 10 1 \

trf 8 - I \ СО

Ш СО 6 - 1 \ со ,9а

4 - \ 4

2 \ 0

0 л Г > 1 . i , i , i , \i i i , -4

i -1-Г " 1 ■ 1 >

- в,/ ;

- / ^^У :

..........

о 20 40

60 80 100 t, МКС

120 140 160

10

(а)

20 30

t, МКС

40

50

(б)

Рис. П3.6 - Временная зависимость внешнего и внутреннего магнитных полей при сжатии алюминиевой оболочки А1 18x1 при различных зарядных напряжениях: а - и0= 9 кВ (Ветах = 14,9 Тл, В|тах = 10,7 Тл), конечный диаметр - 9,3 мм; б - и0= 13 кВ (Ветах = 21,8 Тл, В1тах = 7 Тл), конечный диаметр - около 9 мм

10 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

10 20 30 40 50 60

t, мкс (а)

200 160 120 "g80 >40 0 -40 -80

1" '1 1 1 1 1 1 1 1 i > i i i i

- 1 //\ :

г/ \\ 2

И \ \ 2' .

.....i , i i 1,1,1,

0 10 20 30 40 50 60 70 80

t, мкс (б)

Рис. П3.7 - Зависимость от времени внешнего радиуса алюминиевых и медных оболочек (а) и их скорости при сжатии (б): 1 - А118x1, 110=9 кВ (поля на рис. ПЗ.ба), \/тах=200 м/с; 2 - Си 18x1, 1)0=13 кВ (поля на рис. П3.56), \/пах=180 м/с; 2' - и0=7 кВ (поля на рис. 3.5а), \/тах=70 м/с

(а) (б)

Рис. П4.1 - Структура излома стенки керамических труб образцов ТОД4 (а) и ТОД6 (б). Сверху-вниз: общий вид излома, граница катод - электролит, структура электролита вблизи катода,

структура электролита на половине толщины слоя