氩气中铝丝电爆炸沉积能量对制备铝纳米粉体特性的影响

研制了基于脉冲电容器放电回路的亚微秒金属丝电爆炸纳米粉体制备实验平台,包括电爆炸过程电流和电压测量系统。利用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形态与结构,并通过电镜统计观察法分析TEM图像得到纳米粉体的粒度大小及其分布。在氩气中电爆炸铝丝制备铝纳米粉体,通过改变电容器充电电压,即初始储能,实验研究沉积能量对铝纳米粉体特性的影响规律。结果表明:铝纳米粉体颗粒形态与结构主要由氩气气压的高低决定,与沉积能量基本无关。增大丝爆过程的沉积能量可显著缩小铝纳米粉体粒度分布范围,减小颗粒平均粒径,并有效地抑制纳米粉体中亚微米颗粒的形成。随着沉积能量E与氩气气压p比值(Ep-1)增大,铝纳米粉体颗粒平均粒径、最大粒径和粒径大于100 nm颗粒所占比例均呈指数函数单调减小。     

铝单丝Z箍缩形成无核冕结构的物理分析

针对铝单丝Z箍缩负载,计算其可形成金属蒸气而不形成核冕等离子体的电路和负载参数范围。提出了铝丝电爆炸形成金属蒸气的能量沉积判据和击穿电压判据;建立了热动力学模型,选取电路参数使得金属丝气化时放电回路电流恰好迅速下降,从而避免发生电压击穿。计算了典型电路下的负载电流、电压、电阻及沉积能量的变化曲线,并分析了回路总电感、充电电压以及负载丝长度、直径对其的影响规律。计算结果表明:当储能电容为150pF、充电电压为65kV、回路电感为300nH时,可驱动直径20μm、长2cm的铝丝电爆炸形成铝丝蒸气。快电流前沿、小丝直径和较短的丝长度有助于提高负载中的单位质量沉积能量,容易电爆炸形成金属蒸气负载。     

带载丝电爆炸提高沉积能量的研究

在丝电爆过程中,金属丝的沉积能量是决定爆炸效果的关键参数。在研发连续送丝电爆装置的基础上,提出带载丝电爆炸提高金属丝沉积能量的方法。根据金属丝在电爆过程中的相变理论及旁路并联电阻的非线性时变性,建立了金属丝负载的电阻-能量分段模型。使用带载丝和裸丝分别开展电爆炸实验,同步采集丝电爆过程中的放电波形并分析计算,探究带载丝电爆炸相关机理以及沉积能量的变化规律。结果表明,电爆炸前期,由于载丝带具有绝缘性,其旁路并联电阻大于裸丝,从而使得带载丝电阻大于裸丝;随着欧姆加热的进行,带载丝中液态金属沿轴向由两端向中间聚集,加快了电爆炸相变过程,等效电阻减小,延缓了沿面击穿过程,从而获得更多的能量。     

电爆炸丝法制备纳米ZrO2粉末的实验研究

设计并搭建了基于高压放电方式的金属丝电爆炸制备纳米粉体的实验装置,并配备了电流电压测量辅助系统,可以方便地制备纳米颗粒,实时记录电爆炸过程中的电流和电压。对Zr丝进行电爆炸实验;理论上分析了Zr丝在电爆炸过程中的沉积能量以及物态的变化过程。研究了充电电压对沉积能量和纳米粉体特性的影响规律。通过元素能谱(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对制备的纳米粉体做了成分分析。采用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形貌和结构,并用电镜统计观察法得到纳米粉体的粒度分布。研究结果表明:电压的增大,会使沉积能量增加,并缩短锆丝完全汽化所需时间。增大充电电压可显著缩小纳米粉体的粒径分布范围,并得到更小平均粒径的颗粒。电爆炸锆丝的产物是ZrO₂纳米颗粒,其晶相结构为单斜晶系(m-ZrO₂)和立方晶系(c-ZrO₂),并且颗粒呈良好的球形,表面光滑,轮廓清晰,粒径分布主要集中在10 nm到40 nm之间。     

丝电爆过程的电流导入机理

丝电爆制备纳米粉时, 电流从电极导入金属丝的过程直接影响电极烧损和粉末中微米级大颗粒产生. 分别通过接触和气体放电两种方式导入电流进行电爆试验. 结果表明, 光测量装置检测到的丝端部光电流几乎与回路放电电流同时产生, 而中间位置的光电流则要滞后一段时间; 由探针收集的产物确定, 金属丝端部主要形成熔融粒子, 中间部分主要形成气相粒子. 分析可知, 接触方式导入电流时, 丝端部也存在气体放电现象, 大电流主要通过气体放电形成的等离子体导入. 等离子体对电流的旁路作用会阻碍能量向金属丝沉积, 这是产生微米级大颗粒和"积瘤"主要原因. 通过气体放电方式导入电流时, 电极烧损明显减轻, 并可以避免"积瘤"产生.     

用电爆炸丝法制备纳米粉末及负载型纳米催化剂

目前制备纳米材料的方法很多，其中电爆炸丝法制备纳米粉末材料是20世纪90年代后期发展起来的新型方法，俄罗斯和日本研究人员利用该方法成功制备多种金属和金属化合物纳米粉末。我国吉林大学利用该方法制备了纳米Cu-Zn合金粉末，其粒度分布在30～180nm，平均粒度约85nm。为了探索电爆炸金属丝技术在制备纳米粉末及其相关产品中的应用前景，文中对电爆炸金属丝产生纳米Al2O3和TiO2进行了实验研究，并在此基础上开展了电爆炸金属丝制备负载型纳米催化剂的初步研究。     

真空中金属丝电爆炸数值模拟研究

利用金属丝电爆炸物理数学模型对电爆炸物理过程开展了数值模拟,研究了不同直径铝丝电爆炸特性,进一步分析了金属丝内沉积能量、电压击穿时刻、电压峰值随金属丝直径的变化规律,并与相关实验数据作了对比。     

螺旋型爆磁压缩脉冲功率源模拟计算

以间接馈电的两级螺旋型爆磁压缩发生器为初始功率源，基于等效电路模型，编制了一个螺旋型爆磁压缩脉冲功率源计算程序BCYSSYS。利用该程序对04型爆磁压缩发生器驱动电感负载进行了计算，并将计算结果与实验结果进行比较，两者基本吻合；对该发生器驱动电容负载进行了计算。同时利用铜金属丝电爆炸过程中电阻率与比作用量的关系数据表，对爆磁压缩发生器驱动含电爆炸丝断路开关的电感储能脉冲功率调节系统进行了数值计算。     

螺旋型爆磁压缩脉冲功率源模拟计算

 以间接馈电的两级螺旋型爆磁压缩发生器为初始功率源，基于等效电路模型，编制了一个螺旋型爆磁压缩脉冲功率源计算程序BCYSSYS。利用该程序对04型爆磁压缩发生器驱动电感负载进行了计算，并将计算结果与实验结果进行比较，两者基本吻合；对该发生器驱动电容负载进行了计算。同时利用铜金属丝电爆炸过程中电阻率与比作用量的关系数据表，对爆磁压缩发生器驱动含电爆炸丝断路开关的电感储能脉冲功率调节系统进行了数值计算。     

水中金属丝爆引燃铝粉悬浮液冲击波增强效应

开展了水中铜丝电爆炸引燃铝粉悬浮液的实验研究,将铝粉悬浮液置于有机玻璃管中,同轴心方向穿过200 μm的金属铜丝,经脉冲功率驱动后快速相变发生电爆炸为铝粉爆燃提供反应条件。通过比对不同质量球状铝粉（μm粒径）的悬浮液在相同脉冲电容器储能条件下的放电和冲击波参数,获得了电爆炸驱动铝粉放电特性和冲击波增强效应的规律。实验发现,电爆炸起爆铝粉的冲击波有两个明显的波峰,分别对应于金属丝电爆炸（一次冲击波）和由产物气体胀裂管壁产生的二次冲击波,且铝粉爆燃对二次冲击波的增强效应非常显著,在300 mg铝粉的悬浮液环境中,二次冲击波峰值达到2.77 MPa,是无铝粉添加环境中二次冲击波的2.25倍,冲击波冲量增强了约50%。对不同储能条件下200 mg铝粉的悬浮液环境中金属丝爆的冲击波进行了对比研究,发现随着驱动源储能的增加,电爆炸引发的主冲击波和二次冲击波压力均逐渐增大,600 J时分别达到了3.17和1.91 MPa,冲击波冲量也随储能增加而增加,在600 J储能条件时的冲量为41.12 Pa·s,储能条件约300 J时20.24 Pa·s冲量的2倍。     

不同氩气气压下铝丝电爆炸的二次放电特性

搭建了RLC放电回路,研究了不同氩气气压下铝丝电爆炸二次放电特性。结果表明,随着气压的变化,电爆炸二次放电电压曲线呈U形。为了阐明氩气和铝蒸气在二次放电过程中的作用,利用光谱仪和高速分幅相机分别研究了二次放电等离子体的自辐射光谱特性和空间分布特性,发现:在低气压下氩气会参与放电,放电通道在铝蒸气表面;高气压下主要是铝蒸气放电,氩气基本不参与放电过程,放电通道在铝蒸气内部。     

电爆炸丝法制备纳米Al2O3粉末

 设计了电爆炸金属丝产生纳米金属氧化物粉末的实验装置，金属丝电爆炸腔采用圆筒结构，纳米粉末经过微孔滤膜过滤收集。成功制备了纳米Al₂O₃粉末，其平均粒度达到64.9 nm。对电爆炸金属丝产生纳米Al₂O₃粉末的物理条件进行了研究。结果表明实验条件对粉末粒度有重要影响：随气压的增加粉末平均粒度变大；随金属丝直径增大粉末平均粒度变大；粉末的平均粒度与电容器的初始储能也有一定的关系。     

铝丝电爆炸过程的光学诊断

采用100 m和40 m两种直径的铝丝,在不同放电电压下,通过分幅成像技术和光谱诊断方法,对铝丝电爆炸过程放电特性及放电等离子参数进行了诊断。实验研究表明:铝丝电爆炸过程中金属蒸气的二次击穿分为内部击穿和沿面击穿两种类型,较细的铝丝更容易发生内部击穿,发生内部击穿时产生的等离子体具有更好的空间均匀性和对称性,其放电过程具有更高的稳定性和可重复性。通过光谱诊断可知铝丝电爆炸等离子体电子温度在104 K量级,电子密度在1018 cm-3量级。     

电爆炸法制备纳米颗粒收集方法

金属丝电爆炸法制备纳米材料因其负载可大程度的过热和爆炸产物非平衡扩散过程得到了研究人员的广泛关注,认为是制备新型功能材料的有效方法。研究了不同收集方法对电爆炸法制备钛纳米颗粒的影响,并结合电学、光学、自辐射图像和形貌分析等诊断手段分析了不同方法下产物特性的成因。结果表明,钛丝电爆炸呈现周期型放电模式,产物通道在放电结束前（约40 μs）可膨胀至约1.7 cm处,此后有尖状突刺发展（波阵面后湍流区）,其速度约为55 m/s。为研究爆炸产物不同状态下纳米颗粒形成特性,使用了3种不同的产物收集方法,分别为:①在金属丝径向1.5 cm处放置硅片收集;②在腔体出口处预置滤网收集;③在金属丝一侧电极上通过定向喷涂收集。产物形貌表征结果表明,使用不同收集方法时产物特征存在明显差别,前2种方法爆炸产物先与介质混合再沉积于硅片,得到的产物分别为分散、链状的球状纳米颗粒和密集、堆叠的纳米颗粒团簇;后一种方法电爆炸产物具有较高的密度和定向速度（对硅片）,硅片以金属丝为轴心远近呈现出粉末状和烧结块状两种不同形式。     

Electrical characteristics of argon radio frequency glow dischargesin an asymmetric cell

Measurements of the current and voltage at both electrodes of a parallel-plate, capacitively coupled RF discharge cell (the Gaseous Electronics Conference Reference Cell) were combined with measurements of the voltage on a wire inserted into the glow region between the electrodes, for argon discharges at pressures of 1.3-133 Pa and peak-to-peak applied voltages ⩽400 V. Together, these measurements determined the RF voltage, current, impedance, and power of each sheath of the plasma. Simple power laws were found to describe changes in sheath impedances observed as voltage and pressure were varied. An equivalent circuit model for the electrical behavior of the discharge was obtained. The equivalent circuit model can be used to relate the electrical data to plasma properties such as electron densities, ion currents, and sheath widths. The results differ from models previously proposed for asymmetric RF discharges, and the implications of this disagreement are discussed     

电动汽车高压线束电磁脉冲压接装置的研制及实验

采用铝合金高压线束替代铜合金高压线束可帮助电动汽车减少重量、提高续航和降低成本。针对铝与铜由于金属性质差异难以可靠连接的问题,本文提出采用电磁脉冲压接技术连接铝合金高压线束与铜合金接线端子,并研制了一套适用于两者连接的电磁脉冲压接装置,其最大放电能量为28 kJ。压接过程中,随着放电电压的升高,接线端子表面的温度升高。当放电电压为12 kV时,实现了铝合金高压线束与铜合金接线端子的可靠连接。采用光学显微镜分析连接界面的微观结构,并测试其电气性能和机械性能。分析结果表明:电磁脉冲压接技术可实现铝合金高压线束与接线端子、铝合金芯线之间的冶金结合,且连接界面出现了波纹形貌与涡旋形貌。测试结果显示:接头接触电阻测试、振动测试、拉力负荷测试均满足汽车行业标准和电缆接头国家标准。     

Ignition-to-spread transition of externally heated electrical wire

Ignition of electrical wires by external heating is investigated in order to gain a better understanding of the initiation of electrical-wire fires. An ignition-to-spread model is developed to systematically explain ignition and the following transition to spread. The model predicts that for a higher-conductance wire it is more difficult to achieve ignition and the weak flame may extinguish during the transition phase because of a large conductive heat loss along the wire core. An experimental study was performed using several sample wires with different core metals, diameters and coating thicknesses of polyethylene. A coil heater was adopted as the ignition source, and both the heat flux and heating time were selected as the main parameters to identify the flashpoint and spread point of wire fires. Experiments show that additional heating times after flash are required in order to fully pass the transition and achieve a spreading flame, agreeing with model predictions. Finally, the effects of different heating lengths, environmental pressures, and oxygen concentration on wire ignition are discussed, which may be useful for upgrading the design and standards of future fire-safe wires.     

铜镍合金丝电爆炸放电特性与时空演化行为

脉冲电流驱动金属丝电爆炸可产生具有较高能量密度的等离子体,并伴随脉冲电磁辐射、强冲击波等效应,广泛应用于Z箍缩、电热化学武器、油气助采等领域;与纯金属相比,合金具备电阻率高、成分可调、相变复杂等特点,在电爆炸效应参数的调控方面具有很大潜力。开展了大气空气介质中铜、镍、铜镍（康铜）丝在微秒时间尺度电脉冲作用下电爆炸实验研究,通过放电参数与自辐射图像诊断,获取电爆炸过程放电参数与时空演变的特性规律,得到脉冲电流作用下合金电爆炸在相变与等离子体方面的特征。实验发现,在电爆炸早期,铜镍合金的高电阻率能够提高能量沉积效率:铜52%、镍74%、铜镍合金78%;而相爆开始后,合金丝负载则更接近纯镍丝负载性能。等离子体通道早期膨胀速率在5 mm/μs量级,随后迅速衰减;合金丝等离子体膨胀时间更久,击穿后平均电阻率上升缓慢,且等离子体辐射与金属爆炸产物在空间尺度上存在关联性。特别地,铜镍合金气溶胶分层同时具有横向和纵向特征（特征尺度10?1 mm）,但整体较铜气溶胶更为均匀。     

Inhomogeneity of currents in a wire array during its explodingphase

The current in a wire array during its exploding phase has been studied. The wire array consisting of many thin wires is used as a plasma source in a z-pinch X-ray radiation system. The current distribution in the exploding wire array plays an important role in producing an initial symmetrical plasma. In the present experiment, four tungsten wires of 0.1 mm in diameter were exploded in a vacuum. The experiment was carried out with an inductive voltage adder pulsed power generator providing a current of 160 kA at quarter period of 1.8 μs The currents through and the voltage across the wires were measured simultaneously. It was found that the currents in the wires were inhomogeneous, especially after the wires became plasma. Once the currents became inhomogeneous, the inhomogeneity remained throughout the discharge. It was also studied how the dimensions of the wires affected the homogeneity of the currents. Wires of different lengths or different cross sectional areas resulted in strong inhomogeneities of the currents. The wires with shorter length or smaller cross-sectional area became plasmas earlier than other wires. Thus, the resistances of the wires were not equal. These differences in the resistance caused the inhomogeneity of the currents