介质环境对铜丝电爆炸制备纳米粉体的影响

为了探究介质环境对电爆炸制备纳米粉体的影响, 搭建了相应的电爆炸实验平台, 以铜丝为例分别在水和不同空气压力下开展了电爆炸制备纳米粉体实验.通过Rogoswki线圈和高压探头分别测试了电爆炸过程中的电流和电压波形图.通过电压、电流及能量沉积特征分析了电爆炸的基本过程以及介质环境在电爆炸过程中的作用.运用透射电子显微镜对爆炸产物进行了粒度分析.研究发现, 介质环境对于电爆炸过程的影响主要表现在汽化化阶段以后, 包括介质对蒸汽膨胀的抑制作用, 介质的电离对于铜丝表面击穿的影响以及其对高温金属蒸汽及等离子体的冷却作用.水中铜丝电爆炸能够制备局部均匀的小尺寸纳米粉体, 粒度多数集中在10–20 nm之间, 但粉体易积聚, 且整体粒度跨越较大.空气中制备的粉体分散良好, 符合对数正态分布, 基本上分布于20–100 nm之间, 平均粒度约为40 nm.     

铜丝水中电爆炸能量沉积特性

对s脉冲电压作用下铜丝水中电爆炸的能量沉积过程进行了实验研究,利用自积分Rogowski线圈和电阻分压器分别测量铜丝电爆炸时的电流和电压。利用测量电压波形确定了熔融起始、熔融结束、汽化起始和击穿时刻点,将铜丝电爆炸划分成熔融、液态和汽化3个阶段。通过数学方法计算了3个阶段和击穿前的沉积总能量。通过实验和计算,分析了电路参数,包括放电电压和回路电感,以及铜丝特性,包括铜丝长度和直径,对铜丝电爆炸过程中3个阶段和击穿前沉积总能量的影响。结果表明:在s脉冲电压作用下,放电电压、回路电感、铜丝长度和直径对熔融阶段能量沉积影响较小,但对液态和汽化阶段能量沉积影响较大,通过调节电路参数提高电流上升速率,可以显著提高汽化和击穿前的沉积能量。     

电爆金属丝产生纳米粉体

建立了一台用于纳米粉体制备的电爆炸金属丝装置,它可以在不打开放电腔体情况下,依次电爆炸8根金属丝。对电爆炸金属丝进行了电路模拟,电路模拟结果表明,减小放电回路电感,或在保持电容器初始储能不变条件下,提高充电电压的同时减小储能电容可提高能量注入速率。为了理解金属蒸气形成纳米粉体的物理过程,利用马赫-曾德激光干涉方法,研究了丝爆后金属蒸气及等离子体的演化过程,得到了电爆丝的典型物理图像,观察到电爆丝中金属蒸气喷发的"热滞后"现象及金属蒸气的多次喷发现象。并利用电爆丝法制备了氮化钛、二氧化钛、铜氧化物和氧化锌的纳米粉体。     

电爆金属丝产生纳米粉体

建立了一台用于纳米粉体制备的电爆炸金属丝装置,它可以在不打开放电腔体情况下,依次电爆炸8根金属丝。对电爆炸金属丝进行了电路模拟,电路模拟结果表明,减小放电回路电感,或在保持电容器初始储能不变条件下,提高充电电压的同时减小储能电容可提高能量注入速率。为了理解金属蒸气形成纳米粉体的物理过程,利用马赫-曾德激光干涉方法,研究了丝爆后金属蒸气及等离子体的演化过程,得到了电爆丝的典型物理图像,观察到电爆丝中金属蒸气喷发的“热滞后”现象及金属蒸气的多次喷发现象。并利用电爆丝法制备了氮化钛、二氧化钛、铜氧化物和氧化锌的纳米粉体。     

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。     

双绞铝丝纳秒电爆炸实验研究

在快前沿放电装置(约2 k A,12 ns)上对四种绞合波长(λt=0.37,0.5,0.75,1.0 mm)的双绞铝丝开展了纳秒电爆炸实验研究.实验结果表明,特定绞合波长会对能量沉积、膨胀过程、光辐射产生显著影响,当绞合波长为0.5 mm时,能量沉积为原子化焓的3.2倍,而其他三种绞合波长能量沉积变化不大,约为原子化焓的1.8倍;绞合波长为0.5 mm时膨胀速度达3.8×103m/s,光辐射相对强度也最高,在膨胀过程中较好地保持了初始结构,在t=246ns时,形成了密度约为1019cm-3,直径约为1.6 mm的中性原子柱,并且在表面形成了波长约为0.5 mm,幅值约为0.3 mm的周期性结构.     

并联金属丝提高电爆炸丝沉积能量的数值模拟

对于低气压或真空环境中的电爆炸丝,因丝沿面击穿会过早终止能量沉积过程,使丝中沉积能量(Ed)大大低于金属丝完全汽化时所需能量(Es).本文提出并联金属丝法延缓沿面击穿时刻以提高电爆炸丝沉积能量.对电流上升时间为几十纳秒、幅值约为1 kA级作用下的金属丝电爆炸过程进行了数值模拟.结果表明,在电爆炸丝两端并联一定尺寸的金属丝可降低爆炸丝端电压上升率,从而推迟电压上升过程中沿面击穿时刻,显著提高丝中沉积能量和过热系数.     

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。     

电爆炸法制备Fe3O4纳米颗粒及其物相研究

搭建了电爆炸金属丝实验平台,在空气中电爆炸铁丝来制备纳米金属颗粒。利用电阻分压器与Rogowski线圈来测量电爆炸过程中铁丝上的负载电压与电流。将负载电压与电流之积进行时间积分来估算沉积在铁丝上的能量。使用光电探测器对电爆炸过程中产生的等离子体发光信号进行探测。对铁丝电爆炸后形成的产物使用高倍显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）进行观测,来研究其物相特性。实验结果表明:电爆炸过程中,当铁丝由液相变为气相时,其电阻急剧增加,因此电流几乎不能流过铁丝,同时铁丝上的负载电压会趋近于电容器的初始充电电压。随着能量的持续积累,等离子体在爆炸腔中形成。由于原本被阻断的电流能够从低电阻等离子体中流过,因此电压电流波形变为欠阻尼波形。电爆炸铁丝所得的产物为Fe3O4纳米颗粒,其中大部分呈规则的球形。Fe3O4纳米颗粒的粒径主要分布在30~60 nm之间,并且符合对数正态分布。     

电爆炸法制备Fe3O4纳米颗粒及其物相研究

搭建了电爆炸金属丝实验平台,在空气中电爆炸铁丝来制备纳米金属颗粒。利用电阻分压器与Rogowski线圈来测量电爆炸过程中铁丝上的负载电压与电流。将负载电压与电流之积进行时间积分来估算沉积在铁丝上的能量。使用光电探测器对电爆炸过程中产生的等离子体发光信号进行探测。对铁丝电爆炸后形成的产物使用高倍显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）进行观测,来研究其物相特性。实验结果表明：电爆炸过程中,当铁丝由液相变为气相时,其电阻急剧增加,因此电流几乎不能流过铁丝,同时铁丝上的负载电压会趋近于电容器的初始充电电压。随着能量的持续积累,等离子体在爆炸腔中形成。由于原本被阻断的电流能够从低电阻等离子体中流过,因此电压电流波形变为欠阻尼波形。电爆炸铁丝所得的产物为Fe3O4纳米颗粒,其中大部分呈规则的球形。Fe3O4纳米颗粒的粒径主要分布在30~60 nm之间,并且符合对数正态分布。     

Nanopowder production by gas-embedded electrical explosion of wire

A small electrical explosion of wire (EEW) setup for nanopowder production is constructed. It consists of a low inductance capacitor bank of 2 μF-4 μF typically charged to 8 kV-30 kV, a triggered gas switch, and a production chamber housing the exploding wire load and ambient gas. With the EEW device, nanosize powders of titanium oxides, titanium nitrides, copper oxides, and zinc oxides are successfully synthesized. The average particle size of synthesized powders under different experimental conditions is in a range of 20nm-80nm. The pressure of ambient gas or wire vapor can strongly affect the average particle size. The lower the pressure, the smaller the particle size is. For wire material with relatively high resistivity, such as titanium, whose deposited energy Wd is often less than sublimation energy W s due to the flashover breakdown along the wire prematurely ending the Joule heating process, the synthesized particle size of titanium oxides or titanium nitrides increases with overheat coefficient k (k = W d /Ws ) increasing.     

真空中铝单丝电爆炸的实验研究

开展了铝单丝在负极性电流脉冲作用下电爆炸特性的研究.利用皮秒激光探针,搭建了阴影、纹影和干涉的光学诊断平台,得到了不镀膜铝丝典型的能量沉积过程,在电压崩溃时刻其沉积能量为2.4 eV/atom.为了增加金属丝内的沉积能量,开展了相同电参数及金属丝尺寸下的镀膜铝丝电爆炸实验,其沉积能量可达到5 eV/atom,实现了在电压崩溃之前铝丝完全气化(完全气化所需能量为4 eV/atom).阴影图像展示了高密度丝核区域的膨胀过程,不镀膜铝丝平均膨胀速度为2.2 km/s,而镀膜铝丝因为沉积能量大,其膨胀速度约为不镀膜铝丝的2.3倍,高密度区域膨胀速度为5 km/s.由于阴影不能反映低密度等离子体的膨胀,开展了平行双丝实验,通过测量自发光辐射,估算了低密度等离子体的膨胀速度.利用条纹相机拍摄了不镀膜铝丝电爆炸过程中自发光区域的图像.纹影图像清晰地展示了不镀膜铝丝在电爆炸过程中形成的核冕结构,而镀膜铝丝电爆炸过程中核冕结构得到了一定程度的抑制.从干涉图像计算了相移,在轴对称假设下对相移进行阿贝尔逆变换,重构了三维的铝原子数密度分布.     

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.     

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。