способ импульсного электрогазодинамического формирования идентификационных меток на поверхности твердого материала

Формула изобретения

1. Способ импульсного электрогазодинамического формирования идентификационных меток на поверхности твердого материала, включающий внедрение в упомянутую поверхность с помощью газовой струи, создаваемой в сверхзвуковом сопле, частиц, полученных при испарении материала внутри основной оболочки, снабженной упомянутым сверхзвуковым соплом, отличающийся тем, что испарение материала осуществляют посредством световой энергии, полученной в результате преобразования электрической энергии импульсного разряда между электродами, введенными через торцы дополнительной герметичной оболочки из светопрозрачного материала, заполненной инертным газом, размещенной внутри основной оболочки, внутренняя поверхность которой выполнена из светопоглощающего легкоиспаряемого материала, при этом образование сверхзвуковой струи осуществляют за счет скачкообразного повышения давления между основной и дополнительной оболочками.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергию разряда в дополнительной герметичной оболочке изменяют от 800 до 5000 Дж при длительности импульса от 10^-3 до 10^-5 с при частоте повторения импульсов от единичных до 10 Гц.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что испарение материала осуществляют с внутренней поверхности основной оболочки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что испарение материала осуществляют с поверхности наночастиц, заполняющих пыж, установленный внутри основной оболочки вблизи сверхзвукового сопла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано при формировании идентификационных меток и создания баз данных твердых материалов (как металлических, так и диэлектрических).

Известен способ идентификации материалов, который используется для идентификации электропроводящих материалов. В этом способе осуществляется нанесение на индивидуальную матрицу электроразрядных пятен между электродом и самой матрицей [1].

В качестве аналога можно рассмотреть способ формирования идентификационных меток твердых материалов путем присвоения им идентификационных номеров, накладывания информационной матрицы и внедрения в нее смеси различных частиц с помощью газовой струи [2]. Такой способ позволяет идентифицировать и металлы, и диэлектрики. Однако при попытке внедрить частицы газодинамическим способом в сверхтвердые сплавы и керамику технология не дает результатов. Дозвуковая скорость газового потока не способна обеспечить проникновение частиц в сверхтвердые сплавы и формировать на ней поверхность со сложным структурообразованием. Осуществлять это в непрерывном режиме сверхзвуковой струи энергетически накладно.

В качестве прототипа можно рассмотреть способ формирования идентификационных меток на поверхности твердых материалов путем присвоения им идентификационных номеров, накладывания информационной матрицы и внедрения в нее смеси различных частиц с помощью газовой струи, создаваемый за счет разряда внутри оболочки, снабженной сверхзвуковым соплом [3].

Однако такой способ не обладает высокой производительностью. Каждый раз, используя взрыв проволочек, необходимо на место испарившейся проволоки, устанавливать новую. Тем самым частоту повторения импульсов можно осуществлять не чаще, чем один раз в 5- 7 минут. Добиться существенного роста производительности можно только путем сохранения основного принципа и одновременного отказа от проволок.

Другими словами, технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в росте производительности процесса формирования меток и в получении идентификационной метки с многофазными, морфологически разнообразными, неповторяемыми рисунками.

Способ идентификации твердых материальных ресурсов осуществляется путем присвоения им идентификационных номеров, накладывания информационной матрицы и внедрения в нее смеси различных частиц с помощью газовой струи, создаваемой за счет разряда внутри оболочки, снабженной сверхзвуковым соплом.

Особенностью предлагаемого способа является то, что внутри основной оболочки располагают дополнительную оболочку из светопрозрачного материала, дополнительную цилиндрическую оболочку заполняют инертным газом, электрический разряд осуществляют между электродами, введенными через торцы дополнительной оболочки, а внутреннюю поверхность основной оболочки выполняют из светопоглощающегося легкоиспаряемого материала. Поверхность дополнительной оболочки из эбонита выполняется из предварительной сплошной заготовки на обычном токарном станке.

Другой особенностью можно признать то, что на выходе основной оболочки, вблизи сверхзвукового сопла, устанавливают пыж, заполненный наночастицами разных размеров. Пыж заполняется полидисперсным набором наночастиц из твердотельных сплавов размером от 5 до 100 нм. Энергию разряда в дополнительной герметичной оболочке изменяют от 800 до 5000 Дж при длительности импульса от 10^-3 до 10^-5 с при частоте повторения импульсов от единичных до 10 Гц.

На рис.1 схематично изображено устройство, работающее по предлагаемому способу. Это устройство расположено над идентификационной меткой, содержащей цифровой код 1 с информационной матрицей 2. 3 - внедренные в матрицу частицы. Над матрицей 2 устанавливают оболочку 4 со сверхзвуковым соплом 5, обращенным в сторону идентификационной метки. Внутри оболочки 4 на диэлектрических опорах 6 устанавливают дополнительную цилиндрическую герметичную оболочку 7, заполненную инертным газом 8. Дополнительная светопрозрачная оболочка 7 снабжена электродами 9, которые, в свою очередь, соединены с источником тока 10. 11 - условно показан замыкатель (прерыватель).

На рис.2 схематично изображено устройство, у которого на выходе основной оболочки 4, вблизи сверхзвукового сопла 5, устанавливают пыж 12, заполненный наночастицами 13 разных размеров.

При замыкании цепи с помощью элемента 11 по цепи проходит импульс тока, в результате чего между электродами 9 возникает высокотемпературный плазменный шнур с яркостной температурой до 30000 К. Этот процесс характеризуется высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в световую. Особенно высокий коэффициент преобразования наблюдается при заполнении оболочки 7 инертным газом 8. Световой поток, проходя через светопрозрачную оболочку 7, выделяется на внутренней поверхности основной оболочки 4. При этом в пространстве между основной оболочкой 4 и дополнительной оболочкой 7 скачкообразно повышается давление и все продукты испарения основной оболочки 4 со сверхзвуковой скоростью попадают на информационную матрицу 2, глубоко проникая и формируя поверхность со сложным структурообразованием. Суть такого структурообразования состоит в оплавлении и насыщении тонких поверхностных слоев идентификационной метки продуктами испарения внутренней поверхности оболочки 4. В базу данных вносят одновременно цифровой код 1, и информационную матрицу 2 со случайно внедренными в нее частицами 3. Для обработки следующей идентификационной метки не нужна никакая замена. Установка, работающая с использованием данного способа, может поднять производительность на много порядков и работать в режиме нескольких герц (разрядов в секунду). И при необходимости угол наклона сверхзвукового сопла относительно информационной матрицы подбирают индивидуальным для каждого из импульсов. Наличие пыжа 12, заполненного наночастицами 13 разного размера, не требует режима испарения частиц с внутренней поверхности оболочки 4. В этом случае импульсное повышение давления внутри оболочки 4 разрушает оболочку пыжа 12 и разгоняет наночастицы 13 до сверхзвуковых скоростей с последующим внедрением наночастиц 13 в информационную матрицу 2. Наличие пыжа 12 существенно повышает скорость повышения давления внутри оболочки 4 и тем самым повышает скорость разгона наночастиц. Таким образом, на поверхности идентификационной метки формируется поверхность из нанокристаллических и нанокомпозитных слоев, которые обладают повышенными функциональными свойствами, например сверхтвердостью, которая так необходима при сохранении информации о поверхности. Конечно, установка пыжа 12 снижает производительность, но замену пыжа автоматизировать существенно проще, чем замену тонкой проволоки. Энергию разряда в дополнительной герметичной оболочке изменяют от 800 до 5000 Дж при длительности импульса от 10^-3 до 10^-5 с при частоте повторения импульсов от единичных до 10 Гц. При энергии разряда менее 8000 Дж не реализуется сверхзвуковое истечение продуктов светоэрозионных частиц, а при энергии свыше 5000 Дж резко падает ресурс светопрозрачной оболочки. Диапазон длительности импульса от 10^-3 до 10^-5 секунды наиболее характерен для разряда в инертной среде. При частоте повторения импульсов свыше 10 Гц существенно снижается ресурс светопрозрачной оболочки.

Пример выполнения способа. Основная оболочка 4 выполнена из эбонита, имеющего светопоглощающую поверхность. Дополнительная оболочка 7 выполнена из кварцевого стекла и заполнена аргоном (криптоном) 8. При электрическом разряде между электродами 9 в инертной среде 8 возникает относительно тонкий плазменный шнур с яркостной температурой от 25000 до 30000 К. Энергия разряда варьировалась от 800 до 2000 Дж. Время разряда оценивалось в 10^-3 секунды. Выбранные параметры позволяют развивать мощность от 800000 до 2000000 Вт. Дополнительная оболочка 7, выполненная из прозрачного кварца, допускает до 100000 импульсов без разрушения ее герметичности. При мегаваттных мощностях вспышки света и незначительном (3-4 мм) зазоре температура внутренней поверхности оболочки 4 достигает нескольких тысяч градусов, что позволяет достигать режима испарения такого тугоплавкого металла, как вольфрам. Нежелательным режимом является частота повторения импульсов свыше 5 Гц. Оптимальным расстоянием между срезом сопла и идентификационной меткой можно признать зазор в 5-15 см. При зазоре свыше 100 см скорость наночастиц заметно убывает, что не позволяет эффективно внедрять частицы в метку.

Экспериментально было обнаружено, что основным процессом, участвующим в формировании поверхности метки является образование сверхзвуковой струи последующего механического воздействия на идентификационную метку продуктами взрыва. При использования пыжа с наночастицами зарегистрированы кратерообразные структуры при проникновении в идентификационную метку. Образующиеся кратерообразные структуры обладают свойством неповторимости даже при использовании наночастиц близких размеров. При использовании частиц разных размеров многообразие кратерообразных структур существенно нарастает.

Таким образом, предложена технология формирования поверхности идентификационной метки с многофазными, морфологически разнообразными структурами, которые, в принципе, нельзя повторить дважды.

Источники информации

1. Способ идентификации электропроводящих объектов. Патент МD № 3389.

2. Способ идентификации изделий. Патент MD № 3390.

3. Способ импульсной электрогазодинамической идентификации. Патент MD 4007.