К разработке инжекционных катодных электродов для ЭГД-преобразователей

Цель. Изучить возможность изменения катодной инжекции в сеточном осесимметричном электрогидродинамическом преобразователе с плоскопараллельными модифицированными электродами.
Методы. Методом численного моделирования получена оценка влияния краевого эффекта электродных сеток на поверхностную проводимость в периферии межэлектродного промежутка и определена оптимальная геометрия держателей электродов сеточного ЭГД-преобразователя. Методом численного расчёта в программной среде Agros 2D, а также с помощью анализа сканов растрового электронного микроскопа (РЭМ) и метода оценки форм-фактора структур получены параметры локальных электрических полей структур поверхностей проволок сеточных электродов, подвергнутых модификации при лазерном скрайбировании.
Результаты. Приводятся результаты разработки сеточной системы электродов для электрогидродинамических преобразователей с усилением катодной инжекции зарядов. Анализируется влияние краевого эффекта на работу ЭГД-преобразователей. Описана возможность усовершенствования сеточной электродной системы модельного ЭГД-насоса. Исследован состав, форма микро- и наноструктур после скрайбирования на лазерном маркирующем комплексе FMark-20RL. Сделана качественная оценка значения напряжённости локального электрического поля на наноструктурах, полученных лазерным скрайбированием латунных сеток, с характерным радиусом 50 нм, которая свидетельствует об усилении катодной инжекции отрицательных зарядов в ЭГД-системе. При расстоянии между электродами 1,5 мм и разности потенциалов между электродами 1,5 кВ/см величина локальной напряженности на вершине наноструктуры радиусом кривизны порядка 50 нм может достигать 5,5⋅107 В/см.
Заключение. Лазерное скрайбирование в виде концентрических окружностей латунных сеточных электродов позволяет интенсифицировать катодную инжекцию зарядов за счёт усиления локальных электрических полей с микро- и наноструктур. Использование диэлектрических держателей из плексигласа способно уменьшать поверхностные токи утечки на периферии сеточных электродов.

1. Жакин А. И. О некоторых расчетных схемах ЭГД-насосов на основе редокс-систем // Электронная обработка материалов. 1988. № 3. C. 35–37.

2. Стишков Ю. К. Электрофизические процессы в жидкостях при воздействии сильных электрических полей. СПб.: Юстицинформ, 2019. 259 с.

3. Кожевников И. В. Теплообмен в замкнутых циркуляционных контурах под воздействием электрического поля: дис. … канд. техн. наук. Кишинев, 1993. 207 p.

4. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований [пер. с англ.] / Дж. Уайтсайдс, Д. Эйглер, Р. Андерс [и др.]; под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса:. М.: Мир, 2002. 292 с.

5. Структура и свойства твёрдых и сверхтвёрдых нанокомпозитных покрытий / А. Д. Погребняк, А. П. Шпак, Н. А. Азаренков, В. М. Береснев // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 1. С. 35–64.

6. Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: Книжный дом «Либроком», 2009. 592 с.

7. Ролдугин В. И. Самоорганизация наночастиц на межфазных поверхностях // Успехи химии. 2004. Т. 73, № 2. С. 123–156.

8. Liu M., Yang Q., Wu S. Space charge injection behaviors and dielectric characteristics of nano‐modified transformer oil using different surface condition electrodes // AIP Adv. 2019. Vol. 9 (3). P. 035319.

9. Effect of surface modification of electrodes on charge injection and dielectric characteristics of propylene carbonate / S. Wu, Q. Yang, T. Shao, Z. Zhang, L. Huang // High Voltage, 2020. Vol. 5 (1). P. 15–23.

10. Russel M., Selvaganapathy P., Ching C. Effect of electrode surface topology on charge injection characteristics in dielectric liquids: an experimental study // J. Electrostat. 2014. Vol. 72 (6). P. 487–492.

11. Кузько А. Е. Особенности изменения микрорельефа поверхностей электродов при электроконвекции в ПМС-50 // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2014. № 1. С. 24–30.

12. Кузько А. Е., Кузьменко А. П., Лазарев А. Н. Использование АСМ в расчёте инжекции зарядов при электроконвекции // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2013. № 2. С. 32–37.

13. Opportunities of AFM in the description of charge formation from the nanostructured electrode at electroconvection / S. G. Emelyanov, A. E. Kuz'ko, A. V. Kuz'ko, A. P. Kuzmenko, D. I. Timakov // Журнал нанои электронной физики. 2013. Т. 5, № 4. С. 4040.

14. Жакин А. И. Электрогидродинамика заряженных поверхностей // Успехи физических наук. 2013. Т. 183, № 2. С. 153–177.

15. Stability, thermo-physical and electrical properties of naphthenic/POME blended transformer oil nanofluids / R. Walvekar, D. A. Zairin, M. Khalid, Р. Jagadish [et al.] / Therm. Sci. Eng. Prog. 2021. Vol. 23. Р. 100878.

16. Transformer oil based multi-walled carbon nanotube–hexylamine coolant with optimized electrical, thermal and rheological enhancements / A. Amiri, S. N. Kazi, M. Shanbedi [et al.] // RSC Adv. 2015. No. 130. P. 107222.

17. Beheshti A., Shanbed M., Heris S. Z. Heat transfer and rheological properties of transformer oil-oxidized MWCNT nanofluid // J. Therm. Anal. Calorim. 2014. Vol. 118, no. 3. P. 1451.

18. Барсук Е. С., Пожидаева В. В., Кузько А. Е. К разработке сеточных электродов с управляемой катодной инжекцией // Молодежь и системная модернизация страны: сборник научных статей 6-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых: в 5 т. Т. 3 / отв. ред. М. С. Разумов. Курск: Университетская книга. С. 208–211.

19. Кучинский Г. С., Назаров Н. И. Силовые электрические конденсаторы. М.: Энергоатомиздат, 1992. Т. 3. С. 320.

20. Афанасьев С. Б., Стишков Ю. К. ЭГД-устройства // Электрофизические процессы в жидкостях и газах. СПб.: С.-Петерб. гос. ун-т, 2007. 87 с.

21. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 827 с.

22. Макарьянц Г. М., Прокофьев А. Б. Основы метода конечных элементов. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2013. 80 с.

23. Kuz'menko A. P., Kuz'ko A. E., Timakov D. I. Effect of electric fields on the surface of nanostructured electrodes on charge formation // Technical Physics. Vol. 58, is. 2, 2013. P. 239– 244.