Salpicos de tungstênio

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12210 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Um mecanismo único de respingos de um ânodo à base de tungstênio foi identificado durante a descarga do arco. O respingo ocorreu pela quebra de uma coluna de metal líquido, que se alonga após uma concavidade local formada na superfície do ânodo fundido. A luminescência azul-violeta, emitida por íons de cério originados de aditivos no ânodo à base de tungstênio, foi capturada antes da formação da concavidade. A temperatura da superfície excedeu o ponto de ebulição dos aditivos no momento do respingo. As velocidades medidas das gotas sugeriram que uma força eletromagnética contribui para as ejeções em alta velocidade. O mapeamento por espectrometria de energia dispersiva também exibiu um remanescente dos aditivos na seção transversal longitudinal do ânodo após a descarga do arco. Com base nesses fatos experimentais, o mecanismo de respingo anódico na descarga de arco foi deduzido da seguinte forma: formação de bolhas de aditivos em temperaturas acima de seu ponto de ebulição, estouro de bolhas na superfície, geração de jato de microplasma, alongamento e ruptura da coluna de líquido sob um força eletromagnética e conseqüente ejeção de gotas em alta velocidade.

A descarga elétrica ocorre quando uma corrente elétrica flui através de um meio gasoso condutor que consiste em elétrons e espécies ionizadas de moléculas e átomos. Esse meio é denominado plasma. Uma descarga de arco é um tipo de descarga elétrica causada por baixa tensão e alta corrente entre um cátodo e um ânodo sob pressão atmosférica. Como as descargas de arco podem produzir temperaturas notavelmente altas (> 10.000 K), o plasma de arco tem sido aplicado como uma fonte de calor única no corte e união de metais em alta velocidade1,2,3. Além disso, está atraindo a atenção científica e industrial como uma ferramenta promissora para a fabricação de materiais tridimensionais, conhecida como manufatura aditiva4,5. Devido ao seu alto brilho, o plasma de arco também é usado como fonte de luz. Como se espera que a energia fotovoltaica seja uma fonte de electricidade sustentável num futuro próximo, melhorar a eficiência de conversão da luz solar em electricidade é um problema social dominante6,7. Para medir com precisão a eficiência de conversão, é necessária uma fonte de luz estável com um espectro de emissão equivalente ao da luz solar. Entre as fontes de luz que atendem a esses requisitos estão as lâmpadas de arco de xenônio e as lâmpadas de arco de iodetos metálicos8,9,10. Recentemente, identificamos a dinâmica única de uma superfície de eletrodo fundido interagindo com plasma de arco. O presente artigo elabora essas descobertas.

Um cátodo emite elétrons termiônicos quando aquecido a alta temperatura. Quando a corrente do arco é suficientemente fornecida apenas pela emissão termiônica, o plasma do arco permanece relativamente estável. Por esta razão, o material do cátodo deve ser sólido ou líquido mesmo em temperaturas acima de 3.000 K. O material do cátodo usual é o tungstênio, que possui alto ponto de fusão e alto ponto de ebulição. Além disso, o tungstênio dopado com uma pequena porcentagem em peso de óxidos tem uma função de trabalho efetiva menor e menor emissão termiônica do que o tungstênio puro. Consequentemente, a temperatura do cátodo é reduzida e a erosão catódica é suprimida . Além disso, ao considerar a difusão e evaporação de aditivos no cátodo, os pesquisadores fizeram melhores previsões da erosão catódica .

Embora os fenômenos do cátodo à base de tungstênio durante a descarga do arco tenham sido bem estudados, os fenômenos do ânodo à base de tungstênio são em grande parte inexplicáveis. Um desses fenômenos é o respingo do ânodo fundido. Como a corrente do arco pode ser corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA)15,16,17, um único eletrodo à base de tungstênio torna-se tanto o cátodo quanto o ânodo. No entanto, a física dos ânodos baseados em tungstênio é pouco compreendida, de modo que os fenômenos do eletrodo durante a descarga do arco CA (que é mais complexo que o arco CC) permanecem desconhecidos. Em particular, os salpicos do ânodo fundido aceleram a erosão do ânodo e dificultam a formação de plasma de arco estável. Além disso, respingos de metais fundidos causam contaminação e reduzem a qualidade de aplicações como lâmpadas de arco, união de materiais e fabricação aditiva. Vários estudos também relataram que parte de um cátodo fundido é ejetado como gotículas durante a descarga do arco CC18,19. Notavelmente, no entanto, estes estudos foram conduzidos sob condições específicas imediatamente após a ignição ou extinção do arco18,19. Em contraste, observamos as ejeções de gotículas de um ânodo à base de tungstênio durante a operação contínua de uma descarga de arco. Este estudo revela a dinâmica e o mecanismo do processo de respingo na superfície do ânodo à base de tungstênio durante uma descarga sustentada de arco CC. Esses novos insights beneficiarão as aplicações científicas e industriais da descarga de arco.