Анотація до роботи:

Кускова Н.І. Процеси взаємодії потужного електророзрядного імпульсу струму з конденсованою речовиною. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.03.07 – процеси фізико-технічної обробки. – Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”. – Київ, 2007.

Дисертація присвячена створенню наукових основ електровибухової обробки матеріалів, розвитку теорії та методів діагностики процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсного струму з конденсованою речовиною та розробці електровибухових методів синтезу нановуглецевих матеріалів (фулеренів, наноалмазу та ін.), який відбувається в результаті структурно-фазових перетворень вуглецю. Одержано аналітичні часові залежності термодинамічних величин речовини від параметрів електроустановки. Визначено еволюцію стану речовини (Р,Т – умови), що дозволяє керувати процесом електровибуху провідників. Встановлено технологічні режими електровибуху графітових провідників та умови, необхідні для структурно-фазових перетворень графіт алмаз і графіт фулерени. Розроблено електровибухові методи одержання фулеренів, вуглецевих нанотрубок і наноалмазу та рекомендації для створення електровибухової технології синтезу нановуглецевих матеріалів. Аналітично отримано радіальні розподіли термодинамічних і електрофізичних величин у процесі істотно нестаціонарного нагрівання циліндричних провідників імпульсним струмом. Запропоновано новий метод синхронної реєстрації пірометром спектрального відношення температури й густини провідників в процесі електровибуху.

У дисертації одержано нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності вирішують важливу науково-технічну проблему, що полягає в створенні наукових основ електровибухової обробки матеріалів, розвитку теорії та методів діагностики процесів взаємодії потужного електророзрядного імпульсного струму з конденсованою речовиною та розробці електровибухових методів синтезу нановуглецевих матеріалів.

Нові наукові та практичні результати роботи:

1. Створено наукові основи електровибухової обробки матеріалів, в результаті якої виникають структурно-фазові перетворення речовини, які включають: математичне моделювання процесів взаємодії потужних електророзрядних імпульсів струму з конденсованою речовиною; аналітичні вирази для часових залежностей струму, опору, температури, тиску та густини речовини в процесі однорідного нагрівання імпульсним струмом циліндричних провідників до моменту випаровування; механізм електровибуху для швидких і надшвидких режимів; термодинамічні залежності речовини (Р,Т – умови) від параметрів електроустаткування та характерних розмірів провідника, які визначають еволюцію стану речовини в результаті дії потужного електророзрядного імпульсу струму та дозволяють керувати процесом електровибуху провідників;

2. Розроблено електровибуховий та електророзрядний методи синтезу вуглецевих наноматеріалів, які мають, у порівнянні з електродуговим методом, ряд переваг (зменшення числа стадій технологічного процесу, можливість роботи установки при атмосферному тиску та ін.). Запропоновано електровибуховий метод одержання мастила з нановуглецевою присадкою, що містить фулерени. Показано, що застосування в якості протизносних і антифрикційних присадок до мастил отриманого нановуглецевого матеріалу (0,1 % вагових), який містить фулерени та наноалмаз, для вузлів кочення і ковзання приводить до зменшення коефіцієнта тертя для пари сталь-сталь на 25 %, при цьому знос поверхонь зменшується в 4 рази;

3. Розроблено рекомендації для створення нових електророзрядних нанотехнологій синтезу вуглецевих матеріалів (фулеренів, вуглецевих нанотрубок і наноалмазу) та розраховано енергоспоживаючі та технічні характеристики електроустаткування для отримання нановуглецевих матеріалів;

4. Теоретично (на основі розрахунку фазових траєкторій вуглецю в процесі електровибуху) та експериментально (на підставі аналізу результатів дослідження дії потужних електророзрядних імпульсів струму на графітові провідники й одержаних нанодисперсних продуктів електровибуху) показано, що структурно-фазове перетворення графіт алмаз відбувається в процесі високоенергетичних режимів електричного вибуху графітових провідників у воді та органічних рідинах (питома запасена енергія w > 100 МДж/кг), тоді як при низькоенергетичних режимах електровибуху графітових провідників у органічних середовищах утворюються умови для синтезу фулеренів (10 МДж/кг < w < 20 МДж/кг) і вуглецевих нанотрубок (8 МДж/кг < w < 10 МДж/кг);

5. Розвинуто теорію взаємодії потужного електророзрядного імпульсу струму з конденсованою речовиною. Вперше аналітично отримано радіальні розподіли термодинамічних і електрофізичних величин у процесі істотно нестаціонарного нагрівання циліндричного провідника імпульсним струмом. На підставі теоретичного дослідження радіальних розподілів термодинамічних і електрофізичних параметрів твердого та рідкого циліндричного провідника, що визначають процес дифузії електромагнітного поля, виявлено ефект, зворотний скін-ефекту; одержанj умови однорідності речовини; визначено вплив магнітного тиску на порушення однорідності речовини в процесі електровибуху провідників;

6. Запропоновано достовірний метод синхронної реєстрації динаміки термодинамічних величин (температури й густини) в процесі нагрівання потужним імпульсом струму циліндричного провідника, який полягає у використанні для розрахунку інтегральної колірної температури за сигналами пірометру спектрального відношення, що виключає вплив теплового розширення, а для розрахунку динаміки розширення (або часової залежності густини) - одного з сигналів пірометру, нормованого на величину сигналу в момент плавлення;

7. Вперше розроблено та апробовано методику знаходження чисельними методами часових залежностей термодинамічних величин і температурних залежностей характеристик рідких металів (від температури плавлення до температури кипіння) в процесі електровибуху за осцилограмами сигналів пірометра спектрального відношення з урахуванням кінцевої ширини пропускання інтерференційних фільтрів і апаратних функцій каналів пірометра. Вперше з урахуванням розширення циліндричного провідника одержано за запропонованою методикою достовірні температурні залежності тепло- та електрофізичних характеристик рідких міді, нікелю та вольфраму (густини, ентальпії, питомих теплоємності та електропровідності);

8. Запропоновано напівфеноменологічну теорію формування та розповсюдження хвиль фазових перетворень речовини в процесі швидкого та надшвидкого режимів електричного вибуху провідників, що дозволило отримати вирази для швидкості розповсюдження та ширини фронтів хвиль фазових перетворень для різних видів електровибуху провідників;

9. Розвинуто теорію дії сильних електромагнітних полів на діелектрики, що викликає виникнення хвиль фазових перетворень в конденсованих середовищах в процесі формування електричного пробою. Отримано вирази для швидкостей розповсюдження швидких і повільних електричних розрядів;

10. Результати дисертаційної роботи використано на державному підприємстві «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування “Зоря-Машпроект”» при вирішенні проблеми очищення гальваностоків від іонів важких металів високовольтними електричними розрядами в реакторах з гранульованим металозавантаженням; впроваджено на приватному підприємстві (Харківська обл.) при розробці електророзрядного устаткування для отримання нановуглецевих матеріалів, які містять фулерени та наноалмаз; впроваджено на СП ТОВ «Мікасс – ДП» при створенні електророзрядного устаткування для отримання нановуглецевих матеріалів, що містять алмазоподібні фази; використовують у навчальному процесі підготовки бакалаврів, спеціалістів і магістрів за фахом «Техніка і електрофізика високих напруг» кафедри «Імпульсні процеси і технології» Національного університету кораблебудування ім. адмірала Макарова.

Публікації автора:

1. Кускова Н.И. Получение наноуглеродных материалов электровзрывным методом // Збірник наукових праць Національного університету кораблебудування. – 2006. - № 3. – С. 64-71.

2. Кускова Н.И. Фазовые превращения углерода в процессе нагрева мощным импульсом тока // Письма в Журн. технич. физики. - 2005. – Т. 31, вып. 17. – С. 28-34.

3. Кускова Н.И. Искровые разряды в конденсированных средах // Журн. технич. физики. – 2001.- Т. 71, вып. 2. - С. 51-54.

4. Кускова Н.И. Волны фазовых превращений в сильных электрических полях // Письма в Журн. технич. физики. – 1998. – Т. 24, вып. 14. – С. 41-44.

5. Кускова Н.И. Обратный скин – эффект // Письма в Журн. технич. физики. - 2004. - Т. 30, вып. 14.- С. 59-63.

6. Коваль С.В., Кускова Н.И. Исследование динамики жидкого проводника при однородном электрическом взрыве // Письма в Журн. технич. физики. – 1995. – Т. 21, вып. 6. – С. 36-40.

Здобувачем аналітичними методами одержано наближений розв’язок системи МГД-рівнянь для опису нагрівання провідника імпульсом струму.

7. Кускова Н.И., Ткаченко С.И. Радиальные распределения быстро меняющихся токов и полей в цилиндрических проводниках // Письма в Журн. технич. физики. - 2002. - Т. 28, вып. 14.- С. 59-63.

Здобувачем аналітично одержано радіальний розподіл густини струму для твердого провідника при дії експоненціально наростаючого імпульсу струму.

8. Кускова Н.И., Ткаченко С.И. Исследование радиальной однородности жидкого расширяющегося проводника, нагреваемого импульсом тока // Письма в Журн. технич. физики. - 1996. – Т. 22, вып. 10. – С.30-34.

Здобувачем аналітично одержано радіальні розподіли густини струму й магнітної індукції.

9. Коваль С.В., Кускова Н.И., Ткаченко С.И. Исследование свойств жидких металлов при электрическом взрыве проводников // Воздействие высоких давлений на вещество. - Киев: ИПМ НАН Украины, 1995. - С.101-107.

Здобувачем виконано постановку задачі й запропоновано застосувати показання пірометра спектрального відношення з урахуванням кінцевості ширини пропускання інтерференційних фільтрів і апаратних функцій каналів пірометра для визначення динаміки розширення провідника.

10. Кускова Н.И., Гордиенко В.И., Разменов Е.П., Хайнацкий С.А. Исследование возможности синтеза искусственных алмазов при электровзрыве проводников в жидкости // Электpонная обpаботка матеpиалов. – 2006. - № 3. - С. 153-160.

Здобувачем обґрунтовано режими нагрівання графітових провідників потужним імпульсом струму та умови, необхідні для структурно-фазових перетворень графіт алмаз.

11. Богуславский Л.З., Гук И.П., Кускова Н.И., Хайнацкий А.С., Щербак А.Н. Электровзрывной метод получения фуллеренов // Электронная обработка материалов. – 2002. - № 4 (216). – С. 30-34.

Здобувачем розраховано фазові траєкторії вуглецю в процесі електровибуху та визначено режими електричного вибуху графітових стрижнів,за яких відбувається структурно – фазове перетворення графіт фулерени.

12. Богуславский Л.З., Кускова Н.И., Хайнацкий С.А. К вопросу о нанесении покрытий электрическим взрывом проводников в жидкости // Электpонная обpаботка матеpиалов. - 2000. - № 2 (202). - С. 5-9.

Здобувачем запропоновано метод нанесення покриттів з нановуглецевих матеріалів методом підводного електровибуху.

13. Богуславский Л.З., Кускова Н.И., Петриченко В.Н., Хайнацкий С.А. Электрический разряд в графите и его особенности // Электронная обработка материалов. - 2002. - № 3 (215). – С. 32-38.

Здобувачем проаналізовано особливості різних режимів електровибуху графітових провідників.

14. Богуславский Л.З., Вовченко А.И., Кускова Н.И. Синтез фуллеренов в процессе электровзрыва графитовых проводников // Электронная обработка материалов. - 2002.- № 6 (218). – С.25-32.

Здобувачем розраховано фазові траєкторії вуглецю за різних низько енергетичних режимів електровибуху і на підставі дослідження продуктів електровибуху показано, що в них містяться фулерени.

15. Ищенко Ж.Н., Куприн Е.Д., Кускова Н.И. Экспериментальные исследования характеристик и механизма электровзрыва графитовых проводников. Часть I // Электронная обработка материалов. – 2004. - № 3. - C. 41-48. Часть II // Электронная обработка материалов. – 2004. - № 4. - C. 48-56.

Здобувачем показано можливість керування електровибухом графітових провідників при використанні одержаних співвідношень для вибору необхідного режиму та механізму ЕВП.

16. Кускова Н.И., Ищенко Ж.Н., Хайнацкий С.А. Особенности электрического разряда в композиционных материалах с проводимостью от 10 до 10⁵ См/м // Электpонная обpаботка матеpиалов. - 2006. - № 2 . - С. 53-58.

Здобувачем показано, що для напівпровідникових, композиційних й металевих зразків зберігаються основні закономірності ЕВП.

17. Kuskova N.I., Tkachenko S.I, Koval S.V. Investigation of liquid metallic wire heating dynamics // Journ. Phys.: Condens. Matter. - 1997. – Vol. 9. - P. 6175-6184.

Здобувачем виконано теоретичне дослідження однорідності нагрівання провідника, запропоновано новий метод синхронної реєстрації динаміки термодинамічних величин (температури й густини) в процесі нагрівання потужним імпульсом струму рідкого провідника.

18. Tkachenko S.I., Kuskova N.I. Dynamics of phase transitions at electrical explosion of wire // Journ. Phys.: Condens. Matter. -1999. – Vol. 11. - P. 2223-2232.

Здобувачем аналітично одержано розв’язок рівняння дифузії поля в рідкий провідник, що розширяється, і запропоновано вираз для розрахунку швидкості хвиль фазових перетворень.

19. Kuskova N.I., Tkachenko S.I., Koval S.V. Investigation of the Heating Dynamics and Properties of Liquid Tungsten // Intern. Journ. of Thermophysics. -1998. – Vol.19, № 1. – P.341-345.

Здобувачем одержано температурну залежність ентальпії й теплоємності рідкого вольфраму.

20. Коваль С.В., Кускова Н.И., Ткаченко С.И. Исследование механизма электpического взpыва пpоводников и теплофизических хаpактеpистик жидких металлов // Теплофизика высоких темпеpатуp. - 1997. - Т. 35, № 6. - С. 876-879.

Здобувачем обґрунтовано методику розрахунку радіусу провідника й чисельними методами проведено розрахунок температурних залежностей густини й електропровідності рідкого вольфраму.

21. Кускова Н.И. Триботехнические характеристики наноуглеродных материалов / Электронная обработка материалов. – 2006. - № 6. - C. 50-56.

22. Патент 45181 України, МПКТ 7 СО1 В 31/02. Спосіб одержання фулеренів / Л.З.Богуславський, Н.І.Кускова, В.О.Дюпін, В.М.Петриченко, С.О.Хайнацький (Україна). - № 33751; Заявл. 12.06.2001; Опубл. 15.07.2004; Бюл. № 7. - 3 с.

Здобувачем обґрунтовано технологічні режими отримання фулеренів електровибуховим методом.

23. Деклараційний патент 45182 А України, МПКТ 7 С1О М 177/00. Спосіб одержання мастила / Л.З.Богуславський, О.І.Вовченко, Н.І.Кускова (Україна).- № 33752; Заявл. 12.06.2001; Опубл. 15.03.2002; Бюл. № 3. - 3 с.

Здобувачем обґрунтовано технологічні режими отримання мастила, що містить фулерени в якості протизносної та антифрикційної присадки, електровибуховим методом.

24. Патент 77346 України, МПК(2006) С01 В31/06. Спосіб одержання порошку синтетичного ультрадисперсного алмазу / О.І.Вовченко, Н.І.Кускова, І.С.Швець, Ж.М.Іщенко, С.В.Петриченко, О.А.Якименко (Україна).- № 200503643; Заявл. 12.03.2005; Опубл. 15.11.2006; Бюл. № 11. - 3 с.

Здобувачем запропоновано електровибуховий метод отримання наноалмазу в результаті електровибуху графітових провідників у воді.

25. Патент 77370 України, МПК(2006) С01 В31/06. Спосіб одержання порошку синтетичного ультрадисперсного алмазу: Пат. 77370 України, МПКТ 7 С1О М 177/00 / О.І.Вовченко, В.І.Городян, Н.І.Кускова, Є.П.Размєнов, І.С.Швець (Україна).- № 200512866; Заявл. 30.12.2005; Опубл. 15.11.2006; Бюл. № 3. - 3 с.

Здобувачем запропоновано електровибуховий метод отримання наноалмазу в результаті електричного розряду в органічних рідинах.

26. Кускова H.I., Ткаченко С.І. Теоретичне дослідження динаміки фазових перетворень в результаті мікросекундних електричних вибухів провідників циліндричної форми // Український фізичний журнал. - 1999. – Т. 44, № 3. – С. 351-356.

Здобувачем проведено теоретичне дослідження динаміки фазових перетворень в процесі електровибуху.

27. Коваль С.В., Кускова Н.И. Теплофизические характеристики жидких металлов // Физика аэродисперсных систем: Межведомств. науч. сб. - Одесса: Астропринт, 2001. - Вып. 38. - С. 189-196.

Здобувачем проведено розрахунок високотемпературних характеристик міді і нікелю.

28. Кускова Н.И. Динамика формирования электрического пробоя в воде: – Николаев: 1991. – 32 с. (Препр. / АН УССР, Проектно - констр. бюро электрогидравлики; 16-91).

29. Кускова Н.И. Трибологические свойства наноуглеродных материалов // Сб. трудов Харьковской нанотехнологической Ассамблеи. (Харьков, октябрь 2006). – 2006. – Харьков. – 2006. - Т. 1. – С. З16-319.

30. Рудь А.Д., Перекос А.Е., Чуистов К.В., Шпак А.П., Уваров В.Н., Кускова Н.И., Ищенко Ж.Н. Электровзрывные методы получения углеродных наноматериалов // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials: IX International Conference, Sevastopol, Sept. 2005. - Кiev: AHEU, 2005. - P. 390-392.

Здобувачем визначено режими електричного вибуху графітових стрижнів, за яких відбувається структурно – фазове перетворення графіт фулерени.

31. Рудь А.Д., Перекос А.Е., Шпак А.П., Уваров В.Н., Лахник А.М., Иващук Л.И., Кускова Н.И. Электровзрывной метод получения углеродных наноматериалов // Труды ІV Междунар. конфер. “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизация изделий” (с. Жуковка, Автономная республика Крым, сентябрь 2006 р.). – Киев: Академпериодика. – 2006. – С. 159.

Здобувачем показано можливість отримання нанопорошків, що містять фулерени та наноалмаз.

32. Рудь А.Д., Перекос А.Е., Шпак А.П., Уваров В.Н., Иващук Л.И., Кускова Н.И. Применение электроразрядных методов для получения углеродных наноматериалов // Труды Пятой Междунар. конф. “Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология». (Москва, октябрь 2006 г.) – М.: МГУ. – 2006. – С. 156.

Здобувачем показано можливість отримання фулереноподібних кластерів.

33. Kuskova N.I., Tkachenko S.I. To the theory of the streamer discharge in condensed media // Conf. Record of the IEEE Intern. Symposium on Electr. Insul. Arlington, Virginia, USA. 7-10 June, 1998. - P. 615-618.

Здобувачем розвинуто теорію дії сильних електромагнітних полів на діелектрики.

34. Кускова Н.И. Взаимодействие мощных электроразрядных импульсов тока с конденсированным веществом // Физика экстремальных состояний вещества -2006. - Черноголовка: Ин-т физ. химии РАН. - 2006. – С. 193 - 194.

35. Рудь А.Д., Перекос А.Е., Шпак А.П., Уваров В.Н., Иващук Л.И., Кускова Н.И. Применение метода электрического взрыва проводников для получения углеродных наноматериалов // Матер. ХХI Междунар. конфер. «Уравнения состояния вещества» - п. Эльбрус, март 2006. Черноголовка: Ин-т физ. химии РАН. - 2006. – С. 268.

Здобувачем показано можливість ефективного керування процесом синтезу нановуглецевих матеріалів.

36. Кускова Н.И. Электровзрывной метод исследования фазовых превращений углерода // Матер. XII Междунар. науч. школы – семинара “Физика импульсных pазpядов в конденсиpованных сpедах”. - г. Николаев, август 2005 г. - Николаев: Никол. обл. типогр. - 2005. - С. 40-41.

37. Кускова Н.И. К теории стримерного разряда в конденсированных средах // Труды V Науч. – технич. конфер. «Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности». – Николаев. – 1992. – С. 14.

38. Кускова Н.И., Ткаченко С.И. О радиальной однородности жидкого расширяющегося проводника, нагреваемого импульсом тока // Тез. докл. VII Науч. школы – семинара «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах». – Николаев. – 1995. – С. 57-58.

Здобувачем знайдено умови радіальної однорідності провідника в процесі електровибуху.

39. Кускова Н.И., Ткаченко С.И. Теоретическое исследование динамики фазовых переходов в проводниках, нагреваемых импульсными токами // Тез. докл. II Науч. школы «Импульсные процессы в механике сплошных сред». – Николаев. – 1996. – С. 248.

Здобувачем отримано вираз для швидкості випаровування провідника імпульсом струму.

40. Кускова Н.И., Ткаченко С.И. Волны фазовых превращений в цилиндрических проводниках // Тез. докл. IX науч. школы “Физика импульсных pазpядов в конденсированных средах” (г. Николаев, сентябрь 1999г.). - Николаев, 1999. - С. 40.

Здобувачем розкрито механізм електровибуху провідників для швидких й надшвидких режимів.

41. Богуславский Л.З., Кускова Н.И., Щербак А.Н., Хайнацкий С.А. Исследование спектров поглощения света фуллеренсодержащими продуктами электрического взрыва графитовых проводников // Матер. X Междунар. науч. школы-семинара “Физика импульсных pазpядов в конденсированных средах” (г. Николаев, август 2001г.). – Николаев: Атолл. - 2001. - С. 44-45.

Здобувачем показано можливість отримання нанопорошків, що містять фулерени.

42. Куприн Д.Е., Кускова Н.И. Фазовые превращения углерода в процессе нагрева мощным импульсом тока // Матер. XІ Междунар. науч. школы-семинара “Физика импульсных pазpядов в конденсированных средах” (г. Николаев, август 2003г.). – Николаев: Атолл. - 2003. - С. 35-36.

Здобувачем знайдено умови синтезу фулеренів в процесі ЕВП.