不同條件下炸藥代用材料表面摩擦起電特性測量

鐘 敏，于邵鈞，文玉史，劉 穎，代曉淦，鄭 雪

(中國工程物理研究院 化工材料研究所, 四川 綿陽 621900)

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

不同條件下炸藥代用材料表面摩擦起電特性測量

鐘 敏，于邵鈞，文玉史，劉 穎，代曉淦，鄭 雪

(中國工程物理研究院 化工材料研究所, 四川 綿陽 621900)

為了更加科學(xué)有效地測量炸藥的靜電安全性，需要獲得不同條件下炸藥代用材料等幾種典型接觸物的摩擦起電特性，通過工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用自動(dòng)式摩擦靜電電壓測試儀方便穩(wěn)固地安裝炸藥代用材料開展摩擦起電及電壓測試試驗(yàn)，掌握了不同條件下炸藥代用材料等幾種典型接觸物的摩擦起電特性。

摩擦；靜電；炸藥安全性

在含能武器部件或材料的勤務(wù)處理過程中的裝箱、卸裝、裝配以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，可能導(dǎo)致相關(guān)的靜電非導(dǎo)體產(chǎn)生高壓靜電，特別在較低濕度條件下，產(chǎn)生的靜電電壓非常高。高靜電電壓可能使炸藥件以及火工品引發(fā)反應(yīng)，因此需要研究不同接觸物間的摩擦起電特性，分析評估其對炸藥、火工品的危害程度[1-3]。

當(dāng)相互摩擦的兩個(gè)物體的性質(zhì)和表面狀況一定時(shí)，物體的靜電起電與摩擦?xí)r的接觸面積(摩擦長度)、摩擦速度(分離速度)、摩擦?xí)r間(瞬時(shí)接觸分離還是長時(shí)間的摩擦后再分離)、摩擦類型、摩擦?xí)r的壓力以及環(huán)境溫度濕度等諸多因素相關(guān)。飛行過程的振動(dòng)和摩擦是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，由于目前戰(zhàn)斗部飛行過程中的振動(dòng)頻率并未完全掌握，并且對接觸面處的靜電測量存在困難，所以對于高溫、低頻振動(dòng)條件下炸藥件的靜電起電很難進(jìn)行與實(shí)際情況相同的模擬分析。但是可以模擬其起電的一些靜電特點(diǎn)和危險(xiǎn)性進(jìn)行分析和判斷[4-9]。

以往采用手動(dòng)人工摩擦的方式簡單測量典型接觸物相互摩擦后的靜電特性，對模擬戰(zhàn)斗部運(yùn)輸過程中典型接觸物相互摩擦后的靜電安全水平進(jìn)行評價(jià)。由于測量方式僅靠人工摩擦，過程中摩擦頻率、施加壓強(qiáng)均不穩(wěn)定，測量精度較差。

因此，利用自動(dòng)式摩擦靜電電壓測試儀測量不同組合的幾種典型接觸物的摩擦起電特性。

1 試驗(yàn)方法

自動(dòng)式摩擦起電及測試裝置示意圖如圖1，將固體試樣固定在回轉(zhuǎn)輪試樣夾上，與施加一定張力的帶狀試樣相互摩擦。通過靜電傳感器探頭及測量電路，測得試樣摩擦過程中的靜電壓，以此評價(jià)試樣的摩擦起電特性。

圖1 自動(dòng)式摩擦起電裝置示意圖

自動(dòng)式摩擦起電裝置系通過對引進(jìn)的紡織物摩擦靜電電壓測試儀改裝而成。為了方便安裝布條等柔軟紡織物品，將試樣夾具設(shè)計(jì)成馬鞍狀，見圖2。由于鋼材、鋁材、炸藥代用材料及炸藥等試驗(yàn)件品種數(shù)量較多，如果將炸藥加工成馬鞍狀與夾具配套會(huì)導(dǎo)致成本較高、而且炸藥樣品具有較高的脆性和危險(xiǎn)性，不宜加工成較復(fù)雜的形狀。通過試樣與夾具之間的多次匹配，把馬鞍形夾具接口改為平面接口，加工簡單，連接處更加穩(wěn)固，更為合適。此外，原裝置采用彈簧夾對布條夾緊固定，不適用于固定炸藥等堅(jiān)硬塊狀試樣。因此，在夾具側(cè)面增加了螺釘緊固。改進(jìn)后夾具的材料與原夾具材料一致，都為鋁材。改造前后的夾具照片見圖2。為了進(jìn)行炸藥摩擦測試，增加了遠(yuǎn)程操控模塊。改進(jìn)后的裝置可以直接用于炸藥等固體塊狀試樣的自動(dòng)摩擦起電測試。

改進(jìn)后的摩擦起電裝置示意圖如圖3，被測試樣被固定在旋轉(zhuǎn)滾筒上，與施加一定張力的試樣相互摩擦，通過靜電探測器及測量電路，測得試樣摩擦過程中產(chǎn)生的靜電壓。

將材料摩擦試件設(shè)計(jì)為傘狀(或蘑菇狀)，使其更容易嵌入試驗(yàn)裝置夾具。兩種材料摩擦試件設(shè)計(jì)圖及鋁材、鋼材及炸藥代用材料摩擦試件見圖4，試件下端直徑為40 mm，高36 mm。摩擦件和改造后設(shè)備組裝局部照片見圖5。原接口夾具不能夾緊固體塊狀試樣，改造后的接口夾具可以將摩擦試件穩(wěn)固地安裝在回轉(zhuǎn)輪上。

圖2 原測試儀接口夾具以及改進(jìn)后的接口夾具

1-顯示屏； 2，6-試樣夾； 3，4，5-張力機(jī)構(gòu)；7-靜電測試傳感器探測頭

圖4 被測試樣圖

圖5 摩擦件(右)和改造后設(shè)備組裝局部(左)照片

試驗(yàn)顯示，經(jīng)過夾具改造，摩擦件可以方便穩(wěn)固地嵌入夾具并可進(jìn)行大面積平滑摩擦，長時(shí)間試驗(yàn)而不掉落。

定型后自動(dòng)式摩擦靜電電壓測試儀的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

a) 靜電電壓測試范圍：0～10 kV,精度：≤±1%；

b) 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速：3 000轉(zhuǎn)/min；

c) 摩擦?xí)r間：0～999.9 s可調(diào)(試驗(yàn)定于30 s)。

d) 摩擦件材料：炸藥代用材料、鋼、鋁等。

e) 摩擦帶材料：電氣膠帶及透明膠帶

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)對象及條件

我們將改造后的夾具投入使用，測得了炸藥代用材料、159、GH-923(直徑10 mm×5 mm)、鋼、鋁等材料和電氣膠帶及透明膠帶分別進(jìn)行摩擦的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)溫度為15.5 ℃，相對濕度約為58.5%。摩擦方式為單向旋轉(zhuǎn)摩擦，轉(zhuǎn)速為3 000轉(zhuǎn)/分，用500 g和1 000 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行加壓。進(jìn)行了電氣膠帶與炸藥代用材料之間的摩擦試驗(yàn)。

不同組合間摩擦示意圖如圖6，分別模擬運(yùn)輸過程中的四種典型接觸狀況。

組合一：透明膠帶(透明膠帶裱糊在海棉橡膠板上)與炸藥代用材料。

組合二：電氣膠帶(電氣膠帶裱糊在鋼塊上)與炸藥代用材料。

組合三：鋁與炸藥代用材料塊。

組合四：電氣膠帶與鋼。

圖6 不同組合間摩擦示意圖

2.2 結(jié)果及討論

圖7為測試的組合一靜電電位與摩擦頻率及壓強(qiáng)的關(guān)系圖。對于透明膠帶與炸藥代用材料摩擦，壓強(qiáng)相同時(shí)，頻率加快導(dǎo)致測得的電位值升高。因?yàn)殡姾傻姆e聚和電荷的消散同時(shí)，當(dāng)頻率升高時(shí)，電荷產(chǎn)生的速度較消散的快，當(dāng)產(chǎn)生的電荷與消散的電荷達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，測得的電位最大。在轉(zhuǎn)速為3 000轉(zhuǎn)/分、壓強(qiáng)0.1 MPa的條件下，測得透明膠帶與炸藥代用材料之間摩擦起電最大靜電電壓值約為0.34 kV。

圖7 測試的靜電電位與摩擦頻率及壓強(qiáng)關(guān)系(組合一)

圖8為測試的組合二靜電電位與摩擦頻率及壓強(qiáng)的關(guān)系圖。對于電氣膠帶與炸藥代用材料摩擦，頻率加快導(dǎo)致測得的電位值升高；測得的電位隨壓力的增大略有上升，表明壓強(qiáng)越大，兩接觸面分子的接觸程度越大，接觸越緊密，越容易帶走電荷。測得電氣膠帶與炸藥代用材料之間摩擦起電最大靜電電壓值約為0.16 kV。

圖8 測試的靜電電位與摩擦頻率及壓強(qiáng)關(guān)系(組合二)

圖9為測試的組合三靜電電位與摩擦頻率及壓強(qiáng)的關(guān)系圖。無論是導(dǎo)體，還是絕緣體，對電荷都有一定的傳導(dǎo)作用。在接觸分離起電過程中，傳導(dǎo)作用主要決定于物體表面及內(nèi)部形成的總泄露電阻的大小，或者說決定于物體分離過程的初期階段，通過接觸面泄露的情況。增加摩擦頻率，在電荷泄露條件相同的情況下，可以導(dǎo)致電荷積聚量增加，故摩擦頻率升高導(dǎo)致電位升高，壓強(qiáng)增大導(dǎo)致帶走的電荷增多，故電位升高。測得鋁與炸藥代用材料之間摩擦起電最大靜電電壓值約為0.24 kV。

圖9 測試的靜電電位與摩擦頻率及壓強(qiáng)的關(guān)系(組合三)

圖10為組合四的靜電電位與摩擦頻率及壓強(qiáng)的關(guān)系圖。頻率加快導(dǎo)致測得的電位值升高，測得的電位隨壓力增大略有上升。測得電氣膠帶與鋼之間摩擦起電最大靜電電壓值約為0.58 kV。

圖10 測試的靜電電位與摩擦頻率及壓強(qiáng)的關(guān)系(組合四)

3 結(jié)論

為了穩(wěn)定、準(zhǔn)確測量摩擦產(chǎn)生的靜電量，引進(jìn)了紡織業(yè)用的自動(dòng)式摩擦靜電電壓測試儀，改進(jìn)了原裝置的接口安裝夾具，將馬鞍形接口改為平面接口，增加了螺釘緊固裝置，摩擦件設(shè)計(jì)為蘑菇狀結(jié)構(gòu)。使得自動(dòng)摩擦起電測試儀可以方便穩(wěn)固地進(jìn)行試驗(yàn)，將儀器應(yīng)用于待用材料和炸藥代用材料摩擦性能測試。

本實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)運(yùn)用到電氣膠帶、透明膠帶和炸藥代用材料之間摩擦起電特性的測試當(dāng)中，達(dá)到了預(yù)期效果。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

FrictionInducedStaticElectricityCharacteristiconMaterialSurfaceofExplosiveSubstitutesUnderDifferentConditions

ZHONG Min, YU Shaojun, WEN Yushi, LIU Ying, DAI Xiaogan, ZHENG Xue

(Institute of Chemical Materials, China Academy Of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

An auto friction induced static electricity characteristic testing machine is established, which can hold the sample firmly and can be used to conduct the friction test. The maximal friction induced static electricity voltage will be recorded during the auto friction. The friction induced static electricity characteristics of several typical materials were got by using the machine.

friction；static electricity；explosive safety

2017-05-01；

2017-06-25

中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金項(xiàng)目(2015B0101011)

鐘敏(1975—)，女，工學(xué)學(xué)士，主要從事炸藥感度測試研究。

文玉史(1983—)，男(壯族)，工學(xué)博士，副研究員，主要從事結(jié)構(gòu)分析及含能材料安全性研究，E-mail：wenys@caep.cn。

10.11809/scbgxb2017.11.039

本文引用格式：鐘敏，于邵鈞，文玉史，等.不同條件下炸藥代用材料表面摩擦起電特性測量[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):178-181.

formatZHONG Min, YU Shaojun, WEN Yushi, et al.Friction Induced Static Electricity Characteristic on Material Surface of Explosive Substitutes Under Different Conditions[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):178-181.

TJ5

A

2096-2304(2017)11-0178-04