д.т.н., профессор, кафедра автоматизированных систем управления процессами и производствами, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия
Dr. Sci. (Engin.), professor, automated control systems for processes and productions department, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia
к.т.н., доцент, кафедра автоматизированных систем управления процессами и производствами, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия
Cand. Sci. (Engin.), associate professor, automated control systems for processes and productions department, Revolution Av., 19, Voronezh, 394036, Russia
студент, кафедра автоматизированных систем управления процессами и производствами, пр-т Революции, 19, индекс, г. Воронеж, 394036, Россия
student, engineer, automated control systems for processes and productions department, Revolution Av., 19, Voronezh, 394036, Russia
Разработка углеродных наноструктурированных (УНС) материалов для промышленного применения является актуальной задачей, учитывая их широкое использование в различных отраслях. Основной целью исследования было рассмотреть особенности метода плазменного синтеза УНС в жидкой среде и подход определения рациональных параметров технологического процесса. Рассмотрены материалы, получаемые электродуговым методом в жидкой среде, и сама установка синтеза. Показаны существенные отличая синтеза УНС в жидкой среде от использования традиционной газовой буферной среды. Обозначены методы математического моделирования, позволяющие описывать плазменные процессы применительно к рассматриваемому синтезу. Показана целесообразность использования кинетического подхода для моделирования плазменных процессов синтеза УНС в жидкой среде. Использование системы уравнений Больцмана для каждого вида компонента плазмы межэлектродного пространства, дополненных условием парных упругих и неупругих столкновений, позволяет рассматривать процессы движения и взаимодействия частиц. Это дает возможность прогнозировать образование в плазме кластерных групп со связями С‒С, С=С формирующих пентагоны и гексагоны, которые образуют архитектуру УНС и определяют количественный выход продукта синтеза. Дополнение модели системой уравнений Максвелла, позволяет описать параметры электромагнитного поля, а использование уравнения теплопроводности Фурье с учетом подвижных границ системы выполнить расчет температурного поля объекта и найти начальные скорости и энергии частиц. Предложенный подход математического моделирования плазменного синтеза, позволяет найти рациональные технологические условия синтеза УНС в жидкой среде, определяющие получение конечного продукта с заданными свойствами и максимальным выходом.
The development of carbon nanostructured (CNS) materials for industrial applications is an urgent task, given their widespread use in various industries. The main purpose of the study was to consider the features of the method of plasma synthesis of CNS in a liquid medium and the approach to determining the rational parameters of the technological process. The materials obtained by the electric arc method in a liquid medium and the synthesis unit itself are considered. Significant differences between the synthesis of CNS in a liquid medium and the use of a traditional gas buffer medium are shown. The methods of mathematical modeling are indicated, which make it possible to describe plasma processes in relation to the synthesis under consideration. The expediency of using a kinetic approach for modeling plasma processes of synthesis of CNS in a liquid medium is shown. The use of a system of Boltzmann equations for each type of plasma component of the interelectrode space, supplemented by the condition of paired elastic and inelastic collisions, allows us to consider the processes of motion and interaction of particles. This makes it possible to predict the formation in plasma of cluster groups with C‒C, C=C bonds forming pentagons and hexagons, which form the architecture of the CNS and determine the quantitative yield of the synthesis product. Supplementing the model with a system of Maxwell's equations allows us to describe the parameters of the electromagnetic field, and using the Fourier thermal conductivity equation, taking into account the moving boundaries of the system, to calculate the temperature field of the object and find the initial velocities and energies of particles. The proposed approach of mathematical modeling of plasma synthesis makes it possible to find rational technological conditions for the synthesis of CNS in a liquid medium, which determine the production of the final product with specified properties and maximum yield.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.