氣體放電導(dǎo)入電流的絲電爆制備納米粉方法研究.pdf

1、納米金屬粉在許多方面具有獨(dú)特的優(yōu)異性能，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防各領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前納米金屬粉的應(yīng)用領(lǐng)域卻十分有限，其原因主要是納米粉價(jià)格昂貴，缺乏工業(yè)級(jí)宏量化可控制備技術(shù)。絲電爆技術(shù)用于納米粉制備時(shí)具有許多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種適合工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)納米粉的方法。已有的絲電爆方法都是首先將金屬絲與電極可靠接觸，然后施加脈沖高電壓，大電流通過(guò)接觸的方式從電極導(dǎo)入到金屬絲而發(fā)生電爆。但這種接觸式絲電爆方法存在設(shè)備故障率高、燒損電極、粉末中始

2、終存在微米級(jí)大顆粒等許多問(wèn)題，而這些問(wèn)題的產(chǎn)生幾乎都與接觸導(dǎo)入電流方式有關(guān)。為此本文提出了利用氣體放電導(dǎo)入電流的絲電爆新方法，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)氣體放電導(dǎo)入電流，建立了兩種氣體放電式絲電爆方法，即孔-板電極式絲電爆方法和圓錐電極式絲電爆方法，并對(duì)這兩種方法的氣隙擊穿特性進(jìn)行了研究。在孔-板電極式絲電爆過(guò)程中，存在單氣隙放電和雙氣隙放電兩種氣體放電模式，單氣隙放電的擊穿電壓比雙氣隙放電的擊穿電壓小。能夠發(fā)生

3、雙氣隙放電時(shí)對(duì)應(yīng)金屬絲的最小長(zhǎng)度，為適合絲電爆發(fā)生的最佳長(zhǎng)度。在圓錐電極式絲電爆過(guò)程中，只存在雙氣隙放電模式，更便于工程應(yīng)用。絲端部與電極之間的氣隙放電過(guò)程與尖.板電極間氣體放電過(guò)程相似：隨著初始充電電壓的增加，擊穿氣隙會(huì)逐漸增大，氣隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨之減小。氣隙的擊穿電壓與電極間距有關(guān)，電極間距增大后，氣隙的擊穿電壓隨之增大。
　　 絲電爆過(guò)程中，電流可以通過(guò)接觸和氣體放電兩種方式導(dǎo)入到金屬絲上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)識(shí)電流的導(dǎo)入機(jī)制

4、。這兩種方式導(dǎo)入電流時(shí)，光測(cè)量裝置檢測(cè)到的絲端部光電流都幾乎與回路放電電流同時(shí)產(chǎn)生，而中間位置的光電流則要滯后一段時(shí)間；由探針收集的產(chǎn)物可知，金屬絲端部主要形成金屬熔融粒子，絲中間部分主要形成金屬蒸汽；通過(guò)氣體放電方式導(dǎo)入電流時(shí)，電極燒損明顯減輕，并可以避免“積瘤”產(chǎn)生。分析可知，接觸方式導(dǎo)入電流時(shí)絲端部也存在氣體放電現(xiàn)象，大電流主要通過(guò)氣體放電形成的等離子體導(dǎo)入。等離子體對(duì)電流的旁路作用會(huì)阻礙能量向金屬絲沉積，這是產(chǎn)生微米級(jí)大顆粒和“

5、積瘤”主要原因。
　　 進(jìn)行絲電爆制備納米粉實(shí)驗(yàn)，利用探針直接采集金屬絲各部分形成的粉末，確定微米級(jí)大顆粒的形成位置，認(rèn)識(shí)微米級(jí)大顆粒的形成特征。在絲端部形成的粉末中，微米級(jí)大顆粒比例要比絲中間部分的比例大。這種現(xiàn)象的原因是能量向絲中間部分和絲端部沉積的方式不同。在絲中間部分，能量主要通過(guò)焦耳加熱作用沉積，而在絲端部，還會(huì)受到等離子體中高溫帶電粒子的高速撞擊作用，這也會(huì)向絲端部沉積一部分能量。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，初始電壓過(guò)高時(shí)粉末中微米

6、級(jí)大顆粒的比例也會(huì)較大，其原因是絲表面發(fā)生了沿面放電現(xiàn)象，形成的等離子體湮沒(méi)整根金屬絲。等離子體對(duì)電流的旁路作用使絲上的沉積能量減小，因此粉末中微米級(jí)大顆粒比例也明顯較大。最適合制備納米粉的初始電壓，為金屬絲表面不發(fā)生沿面放電時(shí)對(duì)應(yīng)的最高電壓。進(jìn)一步分析可知，絲表面沿面放電現(xiàn)象發(fā)生的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為2.37kV/cm。絲表面不發(fā)生沿面放電時(shí)，沉積在絲上的能量密度隨初始線能量的增加而增大，發(fā)生沿面放電后，能量密度就會(huì)迅速減小。
　　

7、 建立了絲表面氣體層模型，對(duì)氣體放電式絲電爆過(guò)程進(jìn)行電路模擬，認(rèn)識(shí)能量沉積特征及其與工藝參數(shù)的關(guān)系。該模型考慮到了沿面放電現(xiàn)象對(duì)金屬絲上沉積能量的影響，更接近絲電爆現(xiàn)象的實(shí)際情況。結(jié)果表明，絲端部放電氣隙δ對(duì)氣體放電式絲電爆過(guò)程影響很小；減小放電回路電感可明顯提高能量沉積速率；在保持電容器儲(chǔ)能不變的情況下，通過(guò)提高初始電壓和減小電容的方法可以提高能量沉積速率；通過(guò)合理匹配金屬絲直徑和長(zhǎng)度能夠使爆炸前在金屬絲上沉積足夠的能量。