絲電爆制備納米粉過程中工藝參數(shù)對爆炸產(chǎn)物相態(tài)組成的影響

畢學(xué)松，朱 亮

（蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050）

0 引 言

絲電爆現(xiàn)象是指通過向金屬絲瞬時(shí)施加大電流，使金屬絲在電阻熱作用下經(jīng)固體加熱、熔化、氣化并發(fā)生爆炸的現(xiàn)象，電爆形成的產(chǎn)物與環(huán)境氣體劇烈碰撞而迅速冷卻，進(jìn)而形成超細(xì)粉體。絲電爆方法是一種規(guī)?；苽浣饘偌{米粉的新方法，近年來相關(guān)研究較多。其中，大部分研究都集中在粉體粒徑與電爆工藝參數(shù)的相關(guān)性上，但由于這些試驗(yàn)都是在各自的試驗(yàn)設(shè)備上完成的，其結(jié)果難免存在一定差異［1－3］。通過絲電爆的物理過程可知，金屬絲快速獲得高密度的能量后瞬時(shí)熔化、氣化，并發(fā)生爆炸，形成由氣相和液相組成的爆炸產(chǎn)物［4］。爆炸產(chǎn)物在沖擊波作用下向四周擴(kuò)散并迅速冷卻形成固體顆粒，其中氣相組分形成納米級小顆粒，而液相組分則形成尺寸較大的顆粒，一般要達(dá)微米級［5－6］?？梢?，爆炸產(chǎn)物的相態(tài)組成直接影響粉體的粒徑，對其形成特征需要深入認(rèn)識。

爆炸產(chǎn)物的相態(tài)組成主要由金屬絲上的能量密度決定，能量密度越大，液相組分就越少，氣相組分也就越多［7－8］。在絲電爆過程中，大電流瞬時(shí)通過金屬絲，焦耳加熱作用是能量產(chǎn)生的主要方式［9］，因此金屬絲的電流密度越大，在金屬絲上的能量密度也就會(huì)越大。金屬絲上的電流密度與工藝參數(shù)密切相關(guān)，減小金屬絲直徑和放電回路電感、增大電容器初始儲(chǔ)能等方法都可以在一定程度上增大放電回路中的電流，進(jìn)而提高電流密度［1，10］。另外，采用直徑不均勻的金屬絲進(jìn)行絲電爆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果金屬絲表面存在等離子體，大部分電流將通過等離子體，在等離子體的這種旁路作用下，電流密度也會(huì)較?。?1］。雖然許多試驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn)了金屬絲表面存在等離子體的現(xiàn)象，但對其產(chǎn)生條件還沒有系統(tǒng)的研究。

為了研究絲電爆過程中工藝參數(shù)對爆炸產(chǎn)物相態(tài)組成的影響，作者在氣體放電式絲電爆裝置上通過改變初始電壓和電極間距研究了工藝參數(shù)對爆炸產(chǎn)物相態(tài)組成的影響，并深入分析了金屬絲表面等離子體的產(chǎn)生條件。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

氣體放電式絲電爆試驗(yàn)裝置如圖1所示。高壓發(fā)生器（H.V.）向儲(chǔ)能電容器（C）充電，兩電極與電容器直接相連，在電極之間建立起高壓電場。送絲裝置將一定長度的金屬絲豎直送至高壓電場中，金屬絲端部與電極之間的氣隙為δ，擊穿放電后將大電流導(dǎo)入金屬絲而發(fā)生電爆。采用電壓表直接測電容器的初始電壓。電極間距和金屬絲長度均可調(diào)。

圖1 氣體放電式絲電爆試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of wire electrical explosion with gas

絲電爆過程中，爆炸產(chǎn)物在沖擊波作用下以圓柱狀向外膨脹并迅速冷卻形成細(xì)小的粉體顆粒，采用平行于金屬絲放置的石英探針直接進(jìn)行產(chǎn)物收集。探針和金屬絲之間的距離設(shè)置為8mm。利用JSM－6700F型掃描電鏡原位分析探針上粉體顆粒的微觀形貌特征，進(jìn)而推斷、分析爆炸產(chǎn)物中氣相和液相的比例。

改變初始電壓和電極間距進(jìn)行絲電爆試驗(yàn)：初始電壓U為5～15kV，電極間距D分別為20，35，50，65mm；儲(chǔ)能電容器的電容為8.88μF，金屬絲是純度為99.95%的銅絲，其直徑為0.33mm，其長度l與電極間距D相同，端部與電極之間的氣隙δ設(shè)置為3mm。

分析探針上粉體顆粒的微觀形貌，統(tǒng)計(jì)粉體顆粒的數(shù)量，并將顆粒近似為球形計(jì)算其體積。分別將微米級顆粒和納米顆粒在粉體中的體積分?jǐn)?shù)作為爆炸產(chǎn)物中液相和氣相的比例。在探針上均勻選取10個(gè)位置進(jìn)行同等放大比例下掃描電鏡分析，計(jì)算得到其平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 初始電壓和電極間距對爆炸產(chǎn)物相態(tài)組成的影響

由圖2可見，不同初始電壓下制備的粉體中都包含了大小兩種顆粒，其中小顆粒近似為球形，并且小顆粒粒徑變化不大，都小于100nm，而大顆粒的尺寸則達(dá)到了微米級，其形貌具有液滴狀，尺寸分布范圍也比較大，最大約10μm；初始電壓對微米級大顆粒在粉體中的比例有明顯影響，初始電壓較低時(shí)，微米級大顆粒較多，隨初始電壓逐漸升高，微米級大顆粒逐漸減少；當(dāng)初始電壓達(dá)到12kV時(shí)，幾乎不存在大顆粒，繼續(xù)增大初始電壓到15kV后，微米級大顆粒又會(huì)明顯增多。不同電極間距下重復(fù)以上試驗(yàn)，探針收集的粉體特征和微米級大顆粒的變化規(guī)律與以上結(jié)果相似。

由圖3可以看出，在各個(gè)電極間距下，爆炸產(chǎn)物中液相的比例隨初始電壓的升高先降低后升高，都是在一定初始電壓下才能達(dá)到最小，初始電壓較低和過高時(shí)，其比例都會(huì)增加。將液相比例的最小值定義為臨界比例。由圖3可以明顯看出，隨著電極間距的增大，液相的臨界比例會(huì)逐漸減小，其對應(yīng)的初始電壓會(huì)逐漸增大。例如電極間距為20mm時(shí)，液相的臨界比例可達(dá)75.2%（體積分?jǐn)?shù)，下同）左右，而對應(yīng)的初始電壓只有5kV左右；當(dāng)電極間距增大到65mm時(shí)，液相的臨界比例減小為1.2%左右，對應(yīng)的初始電壓則升高到了15kV左右。

2.2 絲表面沿面放電現(xiàn)象

初始電壓較低時(shí)，放電回路的電流全部流過金屬絲，此時(shí)隨初始電壓的升高放電回路的電流逐漸增大，金屬絲上的能量密度也會(huì)逐漸增大，如圖4（a），（b）所示。在這種情況下，爆炸產(chǎn)物中液相的比例隨初始電壓的升高逐漸減小，并最終達(dá)到臨界比例。

圖2 不同初始電壓下粉體顆粒的SEM形貌（D＝50mm）Fig.2 SEM morphology of particles at different initial charging voltages

圖3 各電極間距下液相體積分?jǐn)?shù)隨初始電壓的變化Fig.3 Volume fraction of liquid in explosion products vs initial charging voltage under different electrode gaps

初始電壓過高后，液相比例又會(huì)明顯增大，其主要原因是金屬絲表面發(fā)生了氣體擊穿放電（沿面放電）現(xiàn)象。金屬絲表面的氣體首先被擊穿放電的現(xiàn)象在許多研究中已被發(fā)現(xiàn)，其中文獻(xiàn)［12］、［13］分別通過X射線照相和Mach－Zhender干涉光路的方法直接觀察到了這種現(xiàn)象。如果金屬絲表面發(fā)生沿面放電現(xiàn)象，整根金屬絲都會(huì)湮沒在等離子體中，大部分電流會(huì)通過等離子體，在等離子體對電流的這種旁路作用下，金屬絲上的能量密度會(huì)明顯變小，如圖4（c）所示，因此爆炸產(chǎn)物中液相比例會(huì)較大。通過上述分析可知，在液相比例達(dá)到臨界比例之前，金屬絲表面沒有發(fā)生沿面放電現(xiàn)象，當(dāng)超過臨界比例時(shí)，則發(fā)生了沿面放電現(xiàn)象。

在放電回路參數(shù)一定的情況下，金屬絲上的能量密度主要取決于儲(chǔ)能電容器中的能量E：

式中：C為儲(chǔ)能電容器的電容；U為初始充電電壓。

圖4 能量密度與初始電壓U的關(guān)系Fig.4 Relationship of initial charging voltage and energy density：（a）lower voltage and energy density；（b）higher voltage and energy density and（c）super－h(huán)igh voltage and lower energy density

圖5 初始線能量與液相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.5 Effect of initial linear energy on volume fraction of liquid in explosion products

由圖3可以得到初始線能量（電容器初始儲(chǔ)能E與絲長l的比值，即E／l或E／D）和液相比例的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，金屬絲表面不發(fā)生沿面放電時(shí)（即液相比例達(dá)到臨界比例之前），液相的比例隨初始線能量的增加而逐漸減小。這表明金屬絲上的能量密度隨初始線能量的增加而逐漸增大。如果金屬絲表面發(fā)生了沿面放電現(xiàn)象（液相比例達(dá)到臨界比例以后），液相比例就會(huì)明顯增大，此時(shí)金屬絲上的能量密度就會(huì)明顯減小?？梢?，不發(fā)生沿面放電現(xiàn)象時(shí)，金屬絲上的能量密度隨初始線能量的增大而逐漸增大；發(fā)生沿面放電現(xiàn)象后，金屬絲上的能量密度將不再遵循這個(gè)規(guī)律，反而會(huì)明顯減小，這種情況不利于絲電爆制備納米粉。

由圖3可以看出，電極間距D分別為20，35，50，65mm時(shí)，液相比例達(dá)到臨界值時(shí)對應(yīng)的初始電壓分別約為5，8，12，15kV，這些初始電壓即為金屬絲表面發(fā)生沿面放電現(xiàn)象的臨界值。經(jīng)計(jì)算知金屬絲表面沿面放電現(xiàn)象的平均擊穿場強(qiáng)分別為2.50，2.28，2.40，2.31kV·cm－1。顯然，各電極間距下金屬絲表面沿面放電的平均擊穿場強(qiáng)幾乎保持不變，其平均值約為2.37kV·cm－1。相對于高壓輸電過程中的沿面放電現(xiàn)象，絲表面沿面放電的平均擊穿場強(qiáng)明顯較低［14］，這可能是因?yàn)?，一方面金屬絲表面發(fā)生氣體放電前，在焦耳熱的作用下，金屬絲的溫度會(huì)明顯升高，這樣金屬絲表面容易熱電離出一些帶電粒子，使金屬絲表面氣體中帶電粒子明顯增多，沿面放電現(xiàn)象更容易發(fā)生；另一方面金屬絲各位置電阻分布不均勻，即使在初始電壓較低的情況下，金屬絲某些位置上的電壓也可能較大，這個(gè)位置上金屬絲表面的電場強(qiáng)度也較大，表面氣體首先被擊穿放電，隨后電子崩迅速擴(kuò)展到整個(gè)絲表面，即發(fā)生沿面放電現(xiàn)象。

電極間距越大，沿面放電現(xiàn)象需要的擊穿電壓也越高，即沿面放電現(xiàn)象越難發(fā)生。電極間距較小時(shí)，在很低的初始電壓下就能發(fā)生沿面放電，阻礙能量繼續(xù)向金屬絲沉積，使得金屬絲上的能量密度較小，因此爆炸產(chǎn)物中液相始終較多；而電極間距較大時(shí)，則需要在較高的初始電壓下才能發(fā)生沿面放電，在金屬絲上沉積較大的能量密度，爆炸產(chǎn)物中液相比例達(dá)到較小值。

3 結(jié) 論

（1）在氣體放電式絲電爆過程中，若電極間距不變，只有在一定的初始電壓下液相比例才能達(dá)到最小，初始電壓較低或過高時(shí)液相比例都會(huì)增加。

（2）隨著電極間距的增大，爆炸產(chǎn)物中液相的臨界比例會(huì)逐漸減小，其對應(yīng)的初始電壓會(huì)逐漸增大。

（3）初始電壓過高時(shí)，液相比例較大的原因是絲表面發(fā)生了沿面放電現(xiàn)象，形成的等離子體會(huì)阻礙向金屬絲產(chǎn)生能量；金屬絲表面不發(fā)生沿面放電時(shí)，金屬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，能量密度會(huì)迅速減小；不同參數(shù)下沿面放電的平均擊穿場強(qiáng)基本不變，約為2.37kV·cm－1。

［1］伍友成，鄧建軍，郝世榮，等.電爆炸絲方法產(chǎn)生納米二氧化鈦粉末［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（6）：70－71.

［2］YOSHIAKI K，KEIICHI M，CHANNALONG S，et al.Nanosize powders of aluminum nitride synthesized by pulsed wire discharge［J］.Journal of the American Ceramic Society，2003，86（3）：420－424.

［3］TOKOI Y，SUZUKI T，NAKAYAMA T，et al.Effect of energy deposition on TiO2nanosized powder synthesized by pulsed wire discharge［J］.Curr Appl Phys，2009，9：193－196.

［4］SINDHU T K，SARATHI R，CHAKRAVARTHY S R.Understanding nanoparticle formation by a wire explosion process through experimental and modelling studies［J］.Nanotechnology，2008，19：1－11.

［5］KOTOV Y A.The electrical explosion of wire：A method for the synthesis of weakly aggregated nanopowders［J］.Nanotechnologies in Russia，2009，4（7／8）：415－424.

［6］樊志良，鄭峰，司徒健超.納米金屬Ni粉的電爆炸法制備與表征［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20（3）：545－550.

［7］朱亮，朱錦，畢學(xué)松.電爆過程中能量密度與爆炸產(chǎn)物變化的關(guān)系［J］.中國表面工程，2010，23（4）：65－69.

［8］KWON Y S，AN V V，ILYIN A P，et al.Properties of powders produced by electrical explosions of copper－nickel alloy wires［J］.Materials Letters，2007，61：3247－3250.

［9］ORESHKIN I V，BARENGOL′TS S A，CHAIKOVSKY S A.Numerical calculation of the current specific action integral at the electrical explosion of wires［J］.Technical Physics，2007，52（5）：642－650.

［10］TOKOI Y，SUZUKI T，NAKAYAMA T，et al.Effect of energy deposition on TiO2nanosized powder synthesized by pulsed wire discharge［J］.Curr Appl Phys，2009，9：193－196.

［11］ME－BAR Y，HARE R.Electrical explosion of segmented wires［J］.J Appl Phys，1996，79（4）：1864－1868.

［12］MICHAEL J T.Formation of plasma around wire fragments created by electrically exploded copper wire［J］.J Phys D：Appl Phys，2002，35：700－709.

［13］MAO Z G，ZOU X B，WANG X X，et al.Evolution of the electrically exploding wire observed with a Mach－Zehnder interferometer［J］.Applied Physics Letters，2009，94：181501－181503.

［14］陳偉根，楊劍鋒，凌云，等.變壓器油紙絕緣沿面放電特性及其產(chǎn)氣規(guī)律［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（1）：94－97.