刘浩宇1993—,男,博士生,研究方向为金属丝电爆炸技术E-mail: lhy20120813@stu.xjtu.edu.cn
0 引言
近年来,金属丝电爆炸现象在Z箍缩[1-3]、X射线源[4]、冲击波物理[5-8]、断路开关[9]等诸多领域获得了广泛应用。在气体介质中,金属丝在脉冲电流作用下,因焦耳加热产生的能量沉积使其发生剧烈相变,瞬间经历固态、液态、气态和等离子体态,电爆炸产生的高温金属蒸汽及等离子体迅速扩散,与氛围气体发生碰撞,冷凝形成纳米颗粒[10]。由于具有能量转化率高、粉体粒度可控、产物纯度高、无污染等优点,电爆炸技术有望成为一种产业化的纳米粉体制备方法。
国内外研究学者针对用于制备纳米粉体的电爆炸现象开展了大量工作[11-15],主要集中在实验条件对纳米粉体尺寸分布与形貌特征的影响规律[14-18],而对电爆炸过程缺乏足够的认识与关注。尤其是沉积能量特性与等离子体扩散特性,对于理解电爆炸的物理机制,认识纳米粉体的形核机制以及探究影响纳米粉体的关键因素,具有重要意义。
本文搭建了用于对铝丝电爆炸进行观测的光-电联合诊断平台,通过电压、电流信号计算获得了电爆炸过程的沉积能量,并分析了其随实验参数(气压、外施电压及铝丝规格)的变化规律。对爆炸过程进行了自发光图像拍摄与基于激光探针的阴影、纹影图像拍摄,分析得到了实验条件对电爆炸空间分布及扩散特性的影响规律。
1 诊断平台及实验方法
实验中采用电容器放电回路产生微秒脉冲电流,实验回路如
忽略金属丝电感在电压跌落前的变化,在测得电压和电流基础上,通过减去感性电压获得金属丝上的阻性电压,从而利用式(1)—式(3)计算得到阻性阶段的比沉积能量为：
\(E=\frac{\int_{0}^{{{t}_{e}}}{{{U}_{R}}I\text{d}t}}{N}\) (1)
\({{U}_{R}}=U-({{L}_{w}}+{{L}_{c}})\frac{\text{d}I}{\text{d}t}\) (2)
\({{L}_{w}}=2\times {{10}^{-7}}l(ln\frac{4l}{D}-0.75)\) (3)
式中：U、I为实测电压、电流;E为比沉积能量;UR为阻性电压;Lw、Lc分别为铝丝电感和测量回路电感;te为间隙击穿(电压跌落)时刻;l、D分别为铝丝的长度和直径。
光学测量系统如
分幅图像可以有效观测等离子体空间形态,但对高密度丝核及爆炸产物内部结构的探测具有一定局限性,可采用激光探针进行阴影及纹影图像拍摄。
图1
放电回路示意图
Fig.1
Schematic diagram of experimental setup
图2
光学测量系统示意图
Fig.2
Schematic diagram of optical diagnostics system
阴影法可以观测高密度物质的形态及产生的冲击波,而纹影法对密度的变化十分敏感,可用于观测爆炸产物沿铝丝径向的结构分布。本文所用Nd: YAG激光器(波长λ=532 nm,脉宽800 ps,能量约为20 mJ),光学诊断成像采用经典的4f成像系统(f为成像透镜焦距)[19]。激光探针照射铝丝后形成阴影图像,在成像透镜焦点处设置刀口,可获得纹影图像。由于触发回路的延时存在抖动,因此采用硅光电二极管ET-2030(0.47 A/W,1.2 GHz)记录激光探针的出射时刻。
利用电爆炸法制备纳米粉体时,为提高生产效率,所用铝丝直径一般≥0.1 mm,长度≥2 cm,环境气体一般为惰性气体,气压为几十kPa至几百kPa。因此本文采用直径D=0.1~0.4 mm、长度l=2~10 cm的铝丝,氛围条件为0.1~1.0 MPa氩气,在内部击穿模式与外部分流模式下的电压、电流、光强及探针信号如
2 铝丝电爆炸沉积能量特性
铝丝电爆炸过程可分为两个相对独立的阶段,即阻性阶段和等离子体阶段[20]。在阻性阶段,铝丝由于焦耳能量沉积迅速汽化,形成高温高密度的金属蒸汽。当金属蒸汽内部电离度达到一定值时,将引起电极间的击穿,形成导电性良好的导电通道,电爆炸转入等离子体阶段。放电通道形成后,由于其良好的导电性,其分流作用将终止铝丝中的能量沉积过程[21]。回路参数、氛围条件与铝丝规格都将显著影响电爆炸阻性阶段的沉积能量。
2.1 外施电压与气压对比沉积能量的影响
氛围条件显著影响铝丝电爆炸的放电过程,在气压低于20 kPa时将在氩气中放电[22],由于这种情况在制备纳米粉体时不会出现,因此不在本文研究范围内。与真空环境相比,高于一定气压的氛围气体会抑制金属蒸汽的膨胀和外部等离子体的形成和发展,从而延缓间隙击穿,使金属丝上沉积更多能量。增加外施电压可以提高电流上升速率,从而增加能量注入速率,使铝丝相变更剧烈、汽化更充分。D=0.1 mm、l=2 cm铝丝电爆炸在5~30 kV外施电压、0.1~1.0 MPa气压下的比沉积能量如
在实验参数范围内,比沉积能量随外施电压与外部气压的升高而增加。气压低于0.4 MPa时比沉积能量随气压升高显著增加,这是由于气压升高使电子的平均自由程减小,从而抑制了金属丝表面发射电子在氛围气体中的碰撞电离,从而延缓击穿过程;而当气压从0.4 MPa上升至1.0 MPa时,比沉积能量的增长逐渐趋于饱和,这是由于外部气压已经在很大程度上抑制了外部等离子体的形成,电爆炸逐渐由外部击穿转变为金属蒸汽内部击穿,此时外部气体的作用仅为抑制金属蒸汽的膨胀,因此继续升高气压对比沉积能量的影响较小。在气压高于0.4 MPa时,提升外施电压对于提高比沉积能量更为有效,在外施电压30 kV时比沉积能量可以达到13.14 kJ/g,约为1.08倍原子化热。
在气压较高时,形成的纳米颗粒容易团聚,从而降低纳米粉体的质量[10]。而外施电压较高时同样存在不利影响：1）电流变化过快时,由于趋肤效应使电流在铝丝截面上分布不均匀,不利于充分气化;2）间隙击穿后将有较多的剩余能量通过等离子体放
图3
不同放电模式下的典型波形
Fig.3
Typical waveforms in different explosion modes
图4
D=0.1 mm、l=2 cm的铝丝电爆炸在外施电压5~30 kV、气压0.1~1.0 MPa条件下的比沉积能量
Fig.4
Specific energy deposition of exploding wires (D=0.1 mm, l=2 cm) with applied voltage 5~30 kV in 0.1~1.0 MPa argon gas
电释放,这可能对纳米粉体的形核过程产生不利影响;3）电流幅值增加将使电极烧蚀更为严重。因此,在进行参数选择时,需要综合考虑外施电压与气压的影响,从而满足特定需求。
2.2 铝丝长度对比沉积能量的影响
采用大规格铝丝可以提高纳米粉体生产效率,但可能存在沉积能量不足从而使粉体质量下降的情况。在外施电压与气压不变的情况下,增加铝丝长度将提高回路电阻,从而降低了流过铝丝的电流,因此随铝丝长度的增加,能量利用效率增加,但比沉积能量减小。
在气压p=0.4 MPa条件下,D=0.2 mm、l=2~8 cm铝丝电爆炸的比沉积能量随长度的变化规律如
3 铝丝电爆炸空间分布及扩散特性
3.1 两种爆炸模式下的等离子体形态
根据击穿过程的不同,气体环境中的电爆炸可以分为两种模式：内部击穿模式与外部分流模式。当电极间距离较长、气压较高、外施电压较低时,内部击穿模式更易发生,D=0.1 mm、l=10 cm的铝丝电爆炸时,波形及放电图像分别如
由于电极间击穿难度较大或铝蒸汽电离度较低,在铝丝汽化后无法立即形成导电性良好的放电通道,而形成了电阻较高的高密度金属蒸汽,在波形上对应于较高的电压(约7 kV)与极小的电流(<100 A),并维持2 μs,这一阶段称为“电压保持阶段”。在这一阶段,由于几乎没有电流,因此铝丝中的沉积能量几乎不再增加,而金属蒸汽近似处于自由扩散状态。
随着高密度蒸汽的扩散,电子平均自由程增加,导致其内部的电离度增加。t=4 μs时,电压跌落,电流增加,电极间电阻迅速减小,这一过程称为“二次击穿”。由
当电极间较容易击穿或铝蒸汽内部电离度较高时,电爆炸从内部击穿模式转变为外部分流模式,该模式下不存在电压保留阶段,而在汽化后迅速击穿,转为等离子体放电。当使用D=0.1 mm、l=2 cm的铝丝在p=0.1 MPa氩气中爆炸时的波形及放电图像分别见
3.2 爆炸过程的丝核形态
基于激光探针技术的阴影法可以对电爆炸过程中的高密度丝核的形态进行诊断,在不同时刻拍摄得到的阴影图像如
图5
D=0.2 mm、l=2~8 cm铝丝电爆炸在外施电压20~40 kV、气压0.4 MPa条件下的比沉积能量
Fig.5
Specific energy deposition of exploding wires (D=0.1 mm, l=2~8 cm) with applied voltage 20~40 kV in 0.4 MPa argon gas
图6
D=0.1 mm、l=10 cm铝丝电爆炸不同时刻爆炸图像
Fig.6
Photographs of exploding wires (D=0.1 mm, l=10 cm) at different moments
高密度丝核出现分层现象,可能是由于磁流体力学不稳定性或电热不稳定性[23-27]。
相比于阴影图像,纹影图像可以观测爆炸产物沿径向的结构分布,对上述实验条件下的电爆炸过程的纹影诊断结果同样观测到了内部击穿模式下的内部放电通道,如
图7
D=0.1 mm、l=2 cm铝丝电爆炸不同时刻爆炸图像
Fig.7
Photographs of exploding wires (D=0.1 mm, l=2 cm) at different moments
图8
D=0.1 mm、l=2 cm铝丝电爆炸不同时刻阴影图像
Fig.8
Photographs of exploding wires (D=0.1 mm, l=2 cm) at different moments
像结果得出,电爆炸产物内部是高密度金属蒸汽,外部是低密度等离子体,呈“芯-晕”结构,等离子体外部可以观测到由于爆炸产物体积迅速膨胀而产生的冲击波。
3.3 沉积能量对空间分布及扩散特性的影响
通过改变外施电压,D=0.4 mm、l=10 cm铝丝
图9
D=0.1 mm、l=2, 10 cm铝丝电爆炸纹影图像
Fig.9
Schiliren images of exploding wires (D=0.1 mm, l=2, 10 cm)
电爆炸在比沉积能量7.01 kJ/g和9.58 kJ/g时的爆炸图像如
由
值得注意的是,由于沉积能量沿轴向分布不均匀,因此一部分铝丝温度较低,无法完全汽化,在形核过程中更容易形成尺度较大的纳米颗粒,将对产品质量产生不利影响,因此需要避免这种情况。当E=9.58 kJ/g时,沉积能量的增加有效抑制了铝丝沿轴向分布的不均匀性,且扩散速度较能量不充足时有明显提高,如
为探究比沉积能量对铝丝电爆炸扩散速度的影响,选用D=0.1 mm、l=2 cm铝丝在p=0.1 MPa条件下进行实验,通过改变外施电压控制比沉积能量,利用阴影图像获得不同时刻的高密度区域的边界,结果如
由
图10
D=0.4 mm、l=10 cm铝丝在E=7.01 kJ/g时不同时刻的爆炸图像
Fig.10
Photographs of exploding wires (D=0.4 mm,l=10 cm) with specific energy deposition 7.01 kJ/g
加而显著增大,当比沉积能量为5.21、8.14、10.54以及11.39 kJ/g时,平均扩散速度分别为0.51、1.98、2.25和2.56 km/s。放电初始阶段,扩散速度较快,而在氛围气体作用下,扩散速度随时间推移而减小,在放电后期逐渐趋于饱和。
4 结论
1）铝丝电爆炸过程阻性阶段比沉积能量受气压、外施电压及铝丝规格的影响。对于同一规格铝丝,增加外施电压和气压可以有效提高比沉积能量。
2）根据放电过程的不同,气体环境中的电爆炸可分为内部击穿模式与外部分流模式。前者经历电压保留阶段,并在金属蒸汽内部形成明亮的放电通道;后者在铝丝汽化后,直接在高温铝蒸汽中发生击穿。
3）对于较大规格铝丝,沉积能量不足将导致爆炸产物沿铝丝轴向分布不均匀,呈“拉链”状分布,而提高比沉积能量可以有效抑制不均匀性。
4）在氛围气体作用下,电爆炸产生的高密度丝核的扩散速度随时间推移逐渐减小,平均速度随比沉积能量增加而增大。
图11
D=0.4 mm、l=10 cm铝丝在E=9.58 kJ/g时不同时刻的爆炸图像
Fig.11
Photographs of exploding wires (D=0.4 mm, l=10 cm) with specific energy deposition 9.58 kJ/g
图12
D=0.1 mm、l=2 cm铝丝电爆炸在不同沉积能量下的扩散轨迹
Fig.12
Expansion trajectories of exploding wires (D=0.1 mm, l=2 cm) with different specific energy deposition
参考文献
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