CC BY
49
Рис. 4. Экспериментальный стенд
2. Ковалев Ю.З. Расчет электротехнических устройств с использованием программного пакета ANSYS : учеб. пособие / Ю.З. Ковалев, Е.Г. Андреева, А.А. Татевосян, Д.В. Колмогоров, И.А. Семина. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. - 84 с.
3. БессоновЛ.А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле / Л.А. Бессонов. -М.: Высш. школа, 2001. - 231 с.
4. Бинс К. Анализ и расчет электрических и магнитных полей / К. Бинс, П. Лауренсон; пер. с англ. - М.: Энергия, 1970. - 376 с.
5. Assous F. Theoretical tools to solve the axisymmetric Maxwell equations [Text] / F. Assous, C. (Jr.) Ciarlet, S. Labrunie // Math. Meth. Appl. Sci. - 25 (2002). - Р. 49-78.
6. Finite element methods for Maxwell equations. Encyclopedia of Computational Mechanics [Text] / eds. E.
Рис. 5. Миллитесламетр ЭМ 4305 Stein, R. de Borst, T.J.R. Hughes. - Wiley and Sons, 2004.
References
1. Andreeva E.G. Konechno-jelementnyj analiz stacionarnyh magnitnyh polej s pomoshh'ju programmnogo paketa ANSYS : ucheb. posobie / E.G. Andreeva, S.P. Shamec, D.V. Kolmogorov. -Omsk: Izd-vo OmGTU, 2002. - 92 s.
2. Kovalev Yu.Z. Raschet jelektrotehnicheskih ustrojstv s ispol'zovaniem programmnogo paketa ANSYS : ucheb. posobie / Yu.Z. Kovalev, E.G. Andreeva, A.A. Tatevosjan, D.V. Kolmogorov, I.A. Semina. - Omsk: Izd-vo OmGTU, 2013. - 84 s.
3. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy jelektrotehniki: Jelektromagnitnoe pole / L.A. Bessonov. - M.: Vyssh. shkola, 2001. - 231 s.
4. Bins K. Analiz i raschet jelektricheskih i magnitnyh polej / K. Bins, P. Laurenson; per. s angl. - M.: Jenergija, 1970. - 376 s.
5. Assous F. Theoretical tools to solve the axisymmetric Maxwell equations [Text] / F. Assous, C. (Jr.) Ciarlet, S Labrunie // Math. Meth. Appl. Sci. - 25 (2002). - Р. 49-78.
6. Finite element methods for Maxwell equations. Encyclopedia of Computational Mechanics [Text] / eds. E. Stein, R. de Borst, T.J.R. Hughes. - Wiley and Sons, 2004.
Кушнир В.Г. Kushnir V.G.
доктор технических наук, профессор,
заведуюгцая кафедрой «Машины, тракторы и автомобили» Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова, Республика Казахстан, г. Костанай
УДК 539.21
ПОЛУЧЕНИЕ НОВОГО КЛАССА СТЕКЛООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Представляется уместным обратиться к свойствам стеклообразных материалов. Например, обыкновенного технического стекла, которое состоит из окиси кремния, и в нем присутствуют натрий, кальций, а возможно, и литий. При комнатной температуре это хороший диэлектрик. Но стоит стекло нагреть до определенной температуры, как оно начинает проявлять свойства суперионного проводника (электролита). Разделение же зарядов можно осуществить в устройстве, аналогичном автомобильному аккумулятору, путем пропускания через электроды и электролит электрического тока. Однако в данном случае речь не идет о самостоятельном процессе. В расплаве, проявляющем свойства электролита, имеют место две составные части: сетка стекла, являющаяся относительно неподвижной его основой; вторая часть структурного соединения активная и под-
вижная относительно первой части. Группы катионов, будучи в стекле, ухудшают основные свойства стекла. В процессе научных исследований были проведены эксперименты, подтвердившие возможность получения нового класса стеклообразных материалов. Общее количество стеклообразующих минералов, в основе которых кремний, составляет более 50 % земной коры. Организация необходимых физических и химических процессов производится в среде инертного газа электрическим полем объема расплава. Проведенный эксперимент подтвердил возможность генерирования электрической энергии в реакторе.
Ключевые слова: материалы, процесс, электрический ток, стекло, продукция, технология, экспериментальные данные, свойства.
OBTAINING A NEW CLASS OF GLASSY MATERIALS ON THE BASIS OF ELECTRICAL TECHNOLOGIES
It seems appropriate to refer to the properties of glassy materials. For example, a common commercial glass, which consists of silica and it contains sodium, calcium and possibly lithium. It is a good insulator at room temperature. But when the glass is heated to a certain temperature, it begins to exhibit the properties of the superionic conductor (the electrolyte). The separation of charges can also be carried out in apparatus similar to a car battery, by passing through the electrodes and electrolyte of the electric current. However, in this case we are not talking about the independent process. There are two components in the melt, showing the properties of the electrolyte : a grid of glass which is a relatively fixed basis and the second part of the structural connections which is an active and movable relative to the first part. Groups of cations in the glass impairs the main properties of glass. Experiments were conducted in the process of research confirmed the possibility of a new class of glassy materials. Total number of glass-forming minerals based silicon is more than 50% of the crust. Organize the necessary physical and chemical processes carried out in an inert gas by the electric field of the melt volume. This experiment confirmed the possibility of generating electric power in the reactor.
Key words: materials, process, electric current, glass, products, technology, experimental data, properties.
Для лучшего представления механизмов физико-химических явлений, имеющих место в селективном электрохимическом процессе, и понимания сути расчета количества электрической энергии, выделяемой в этом процессе, обратимся к сложившемуся представлению стеклообразного состояния вещества [1].
Стеклообразное состояние - это аморфное состояние вещества, формирующееся при затвердевании переохлажденного расплава и характеризующееся обратимостью перехода из стеклообразного состояния в расплав и из расплава в стеклообразное состояние, что и отличает стеклообразное состояние от других аморфных состояний. Важным является тот факт, что постепенное возрастание вязкости расплава препятствует кристаллизации вещества, то есть переходу к термодинамически более устойчивому кристаллическому состоянию с меньшей свободной энергией. Фактически имеют место физические макроскопические системы в неопределяемом метастабильном состоянии, которое предопределяет возникновение носителей энергии в расплавах при фазовых переходах первого рода, представляющих собой переход вещества из стеклообразного состояния в кристаллическое. В стеклообразном состоянии могут находиться окислы SiO2, GeO2, FeO2, V2O5 и др.
В расплаве, проявляющем свойства электролита, имеют место две составные части.
Первая - сетка стекла, являющаяся относительно неподвижной его основой, определяющая его свойства и представляющая собой трехмерную, практически непрерывную моноструктуру в виде сетки, которая характеризуется отрицательным зарядом (рисунок 1).
Рис. 1. Плоскостная схема структурного скелета стекла стехиометрического состава
Вторая часть структурного соединения, активная и подвижная относительно первой части. Она состоит из хаотично распределенных ионов металлов (Li, Na, K, Ca, Sr, Cd, Zn и им подобные), которые, перемещаясь под действием теплового поля, создают группы или ассоциации. Каждый ион, имеющий положительный заряд, имеет отдельную ионную связь относительно неподвижной части. Химические элементы, являющиеся подвижными катионами, не образуют с кислородом структурных групп.
Группы катионов, будучи в стекле, ухудшают основные свойства стекла и вводятся в него в силу необходимости получения стекла с приемлемыми свойствами и минимальными затратами. На рисунке 2 дана структура продукта процесса.
I I I I
-Si —О-Si—О -Si —О—Si —
lili
о о о о
I I I I
>i —о—Si—О -Si —о—SÍ\
Я I I I I оч
0 о о о о о
/I I I \
-Si—О-Si—О—Si—О-Si \ si — О—Si—
1 IIIo'
0 о о о
1 I О 1 I
-Si^O-Si\ / >Si — O-Si— O-Si — o— Si-
I IV I I I |
о
о
о
о
о
0
1
—Si —
минералов, в основе которых кремнии, составляет более 50 % земноИ коры. Это именно то основное сырье, которое позволяет разрешить проблемы экологически чистого промышленного получения материалов и энергии. Причем количество производимой энергии единицей сырья в 10-100 раз больше, чем при сжигании такого же количества нефти.
Для сравнения: углерода, входящего в состав растений и горючих ископаемых - уголь, торф, сланцы, нефть, газ в земноИ коре всего 0,1% по массе. Данное сравнение сделано для того, чтобы акцентировать внимание на значимость технологии.
Эксперимент проводился в электрохимической колонке (рисунок 3).
I I I/O | I I
ii —О —Si —О—Si^ \ Si—О—Si—О—Si
Vj п
Х Si — O-Si^O — Si—o—sr lili
Рис. 2. Плоскостная схема возможных состояний структурного скелета стекла нестехиометрического состава
В процессе научных исследований были проведены эксперименты, подтвердившие возможность получения нового класса однофазовых стеклообразных материалов нестехиометрического состава конструкционного и декоративного назначения, особо чистого металлического натрия и электрической энергии из расплава химического состава 9SiO23Na2O.
Исходное сырье - смесь SiO2 и Na2CO3. Выбор смеси продиктован распространенностью этих веществ на планете.
В земной коре содержится 27,6 % кремния по массе. Количество Na в земной коре 2,64 % по массе, но он в данной технологии не расходуется, а является одним из «доноров», формирующих на атомном и молекулярном уровне расплав требуемого состава, из которого в дальнейшем получают нужное изделие. Общее количество стеклообразующих
Рис. 3. Условная схема электрохимической колонки для проведения
Технология предполагает следующие операции:
1. Подготовка однофазового расплава, в котором имеются подвижные катионы из стеклообразной питающей смеси.
2. Размещение расплава в верхней и нижней частях реактора.
3. Наложение электрического поля анода на верхний объем расплава для формирования объемного электрического заряда, способного вырвать электроны у натрия нижнего объема расплава.
Организация необходимых физических и химических процессов производится в среде инертного газа электрическим полем объема расплава, ограниченного твердыми стенками, из кварцевого стекла и электрическим полем анода, помещенного в расплав, составляющий с анодом систему с регулируемым напряжением. Электрическая цепь анода соединена с источником напряжения, катод которого заземлен. Кварцевое стекло не препятствует прохождению электрического поля, а также газопроницаемо [2].
Электрическое поле верхнего объема расплава накладывается на расплав многокомпонентной смеси, что и приводит к вырыву электронов натрия этого расплава. В свою очередь поток электронов замыкает электрическую цепь, включающую на-
званную систему, проводник первого рода, расплав, что приводит к образованию в этой электрической цепи постоянного тока.
Приобретенный расплавом положительный объемный заряд индуцирует в проводнике первого рода отрицательный заряд и таким образом создается разность потенциалов, действием которой подвижные катионы удаляются из расплава на (в) проводник первого рода. Концентрацию ионов в расплаве обедняют до заданной величины. При этом на проводнике первого рода выделяется металл, сорта подвижных катионов в присутствии инертных газов. Расплав при этом приобретает сочетание химических элементов, характеризуемое не стехиометрией химического состава ^п02 3) с выделением на (в) проводнике первого рода металлов, сорта подвижных катионов.
Возможность получения электрического тока порядка I = 103 А и более объяснена в работах Г. А. Месяца по изучению разрядов в сильных электрических полях.
Проведенный эксперимент подтвердил возможность генерирования электрической энергии в реакторе. Объем расплавов составлял 20 и 40 см3 соответственно. Зарегистрированное значение ЭДС в основной цепи - это количество выделившихся ионов натрия в нижнем объеме лабораторного реактора, что и определяет расчетную мощность 6 кВт в течение 10 часов. Спектральный анализ материала подтвердил выделение натрия, о чем свидетельствует желтый цвет стримеров (рисунок 4).
Рис. 4. Процесс вырыва электронов
В настоящее время экспериментально выявлены следующие технологические свойства новых материалов на основе кремния:
1. Прочностные характеристики новых конструкционных материалов превосходят характеристики используемых сегодня материалов в 10 и более раз, при их удельном весе 2,3-2,6 г/см3.
2. Материалы могут выпускаться в виде:
пленки толщиной от 0,003 мм и более, шириной 1000 мм, длиной до нескольких км; нити диаметром от 0,003 мм и более, длиной до десятка км; листа толщиной от 0,1 мм до десятков мм.
Из перечисленного набора по уже имеющимся технологиям могут изготавливаться практически любые детали, например, коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания. При необходимости термостойкость изделия, теплостойкость может быть доведена до 3500 °С.
Изделия из новых материалов могут быть получены литьем, ковкой, обработкой лезвийным и абразивным инструментом и др. способами. Сварка деталей из этих материалов лазерная и экологически чистая.
Материалы, получаемые по новой технологии, могут быть реализованы в изделия конструкционного и электротехнического назначения: автомобильное, ветровое стекло; внутренние камеры, шины; хозяйственные товары; пищевая упаковка; стеклянные емкости для напитков; специальные контейнеры; ценные бумаги; трубы диаметром до и более трех метров; торговые знаки в виде наклеек; конденсаторы, диоды, аккумуляторы, корпуса самолетов, ракет и многое другое. При минимуме экспериментальных данных по стеклообразующим соединениям на основе железа, титана и алюминия, но с учетом их известных полиморфных свойств, просматривается возможность изготовления кузовов и деталей автомобилей, самолетов и т. д., что будет экологически, технологически и экономически более выгодно.
Есть техническая возможность производства коммерческой продукции: материалы конструкционного и декоративного назначения, особо чистые металлы (литий, натрий, калий, кальций, магний и др.), тепловая и электрическая энергия. Предприятие не потребляет энергию со стороны, но является источником электрической энергии. Технология экологически чистая. Себестоимость каждого вида продукции меньше получаемых по традиционным технологиям в 10-50 раз.
Список литературы
1. Иванов-Шиц А.К. Материалы ионики твердого тела [Текст] / А.К. Иванов-Шиц, Л.Н. Демьянец // ПРИРОДА. - 2003. - № 12.
2. Физика. Большой энциклопедический словарь [Текст] / гл. ред. А.М. Прохоров - 4-е изд. - М., 1998.
References
1. Ivanov-Shic A.K. Materialy ioniki tverdogo tela [Tekst] / A.K. Ivanov-Shic, L.N. Dem'janec // PRIRODA. - 2003. - № 12.
2. Fizika. Bol'shoj jenciklopedicheskij slovar' / gl. red. Prohorov A.M. - 4-e izd. - M., 1998.
