夏天威， 徐 蓉， 袁偉群， 嚴(yán) 萍(1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049;3. 中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)

1 引言

電磁發(fā)射技術(shù)能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為動(dòng)能，具有速度高、距離遠(yuǎn)、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航空和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在電磁發(fā)射運(yùn)行過(guò)程中，存在著力、電、熱多重耦合作用[1-3]。發(fā)射裝置中的絕緣支撐結(jié)構(gòu)破壞頻發(fā)，尤其在重復(fù)運(yùn)行發(fā)射過(guò)程中，由于電磁發(fā)射過(guò)程復(fù)雜，絕緣支撐結(jié)構(gòu)的性能受到多種因素的影響。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電磁發(fā)射裝置絕緣支撐結(jié)構(gòu)絕緣性能的研究較少。早期的研究人員將研究重點(diǎn)放在發(fā)射裝置絕緣材料的選擇和評(píng)估方面，以及在使用等離子體電樞發(fā)射器時(shí)如何減少對(duì)絕緣支撐結(jié)構(gòu)燒蝕的措施上，Rosenwasser和Stevenson等人[4]對(duì)比分析了幾種常用電磁發(fā)射備選絕緣材料，發(fā)現(xiàn)陶瓷和改進(jìn)陶瓷材料具有較好的抗燒蝕、抗熱沖擊能力，環(huán)氧樹(shù)脂具有較好的抗斷裂能力；Monfredo等人[5]研究發(fā)現(xiàn)絕緣支撐表面的破壞主要來(lái)自類(lèi)似等離子體電樞發(fā)射過(guò)程中出現(xiàn)的消融破壞，以及機(jī)械沖擊損傷。華中科技大學(xué)的湯亮亮等人[6]對(duì)電樞融蝕現(xiàn)象進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明較大的發(fā)射電流使得電樞融蝕并沉積在軌道和絕緣支撐表面。研究分析重復(fù)發(fā)射試驗(yàn)中支撐結(jié)構(gòu)絕緣劣化，可以為提高電磁發(fā)射系統(tǒng)性能和效率提供重要的依據(jù)。

為了研究電磁發(fā)射絕緣劣化的原因和規(guī)律，本文通過(guò)建立電磁發(fā)射多發(fā)試驗(yàn)，根據(jù)多發(fā)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)絕緣支撐側(cè)板進(jìn)行分析和測(cè)試。結(jié)合測(cè)試結(jié)果，總結(jié)出電樞的金屬沉積和燒蝕是絕緣性能下降的主要原因，并存在一定分布規(guī)律，這些可為后續(xù)進(jìn)行電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)和裝置設(shè)計(jì)提供建議和參考。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 脈沖電源系統(tǒng)

本試驗(yàn)所用的脈沖電源系統(tǒng)為 3MJ 脈沖電源系統(tǒng)，由30個(gè)獨(dú)立儲(chǔ)能的脈沖模塊構(gòu)成，如圖1所示。單個(gè)電源模塊儲(chǔ)能電容為2mF，最大充電電壓 10kV，最大放電電流 1MA，半高寬在3ms左右。

圖1 脈沖電源系統(tǒng)Fig.1 Pulse power system

2.2 電磁發(fā)射裝置

實(shí)驗(yàn)中采用的電磁發(fā)射裝置如圖2所示。發(fā)射器長(zhǎng)1890mm，口徑為20mm×20mm。電樞材料為6061鋁合金，質(zhì)量24.7g。軌道材料為鉻鋯銅合金。絕緣支撐結(jié)構(gòu)包括兩塊絕緣壓板和兩塊絕緣支撐板，材料均為玻璃纖維增強(qiáng)型環(huán)氧樹(shù)脂3240。

圖2 1890mm電磁發(fā)射裝置Fig.2 1890mm electromagnetic launcher

2.3 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)主要包括對(duì)膛口電壓、脈沖電流、電樞速度等參數(shù)的測(cè)量。膛口電壓的測(cè)量采用探頭型分壓器，分壓比為1∶1000。軌道電流的測(cè)量則是采用靈敏度較高的外積分Rogowski線(xiàn)圈。電樞速度采用B-dot磁探針測(cè)速法，通過(guò)測(cè)量磁探針感應(yīng)電壓過(guò)零時(shí)刻，即可得到電樞到達(dá)磁探針?biāo)谖恢玫臅r(shí)刻。通過(guò)多組磁探針的測(cè)量可以得到電樞運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間曲線(xiàn)，通過(guò)計(jì)算可以得到電樞的速度曲線(xiàn)。

3 發(fā)射實(shí)驗(yàn)

發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，將電樞設(shè)置在距膛尾54.5mm處位置。實(shí)驗(yàn)使用30組電源模塊，每組模塊充電電壓設(shè)定為5kV，分時(shí)序放電，峰值電流最大可以達(dá)到450kA。重復(fù)發(fā)射實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了90次，每10次對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。發(fā)射過(guò)程中，放電時(shí)間約為3ms，放電電流420～500kA。圖4為其中一次發(fā)射試驗(yàn)中電樞位置和速度曲線(xiàn)圖。由圖4可知，電樞的運(yùn)行速度在1000mm后趨于平緩，在膛口處速度最大，約為2.2km/s。隨著重復(fù)發(fā)射實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，電樞速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡姶虐l(fā)射過(guò)程中固體電樞熔融并沉積在軌道表面，沉積層會(huì)增大滑動(dòng)接觸電阻，降低系統(tǒng)效率。

圖3 重復(fù)發(fā)射電流圖Fig.3 Repetitive emission current pattern

圖4 電樞位置-速度曲線(xiàn)Fig.4 Armature position and velocity curve

4 結(jié)果分析

4.1 絕緣支撐表面宏觀(guān)形貌

在第3節(jié)試驗(yàn)條件下進(jìn)行多次重復(fù)發(fā)射試驗(yàn)后，觀(guān)察發(fā)射實(shí)驗(yàn)后的絕緣支撐表面情況，如圖5所示?？梢钥闯?，從膛尾到膛口方向，絕緣板表面碳化程度越來(lái)越明顯，顏色逐漸加深，局部位置出現(xiàn)明顯的機(jī)械破壞現(xiàn)象，具有大小不一的凹坑與裂縫，破壞十分嚴(yán)重。在發(fā)射器中部區(qū)域可觀(guān)察到零散的金屬鋁附著在絕緣板表面及邊緣，而膛口區(qū)域的表面燒蝕最為嚴(yán)重，絕緣材料表面碳化程度高，范圍大，局部區(qū)域出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10cm裂縫，并且伴隨著明顯的絕緣材料剝落現(xiàn)象。

圖5 絕緣支撐板損傷情況Fig.5 Damage situation of insulation support plate

4.2 X射線(xiàn)光電子能譜分析

為了探究玻璃鋼材料經(jīng)過(guò)多次電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)后表面成分的變化，對(duì)絕緣板表面不同位置處(距膛口40cm、80cm、120cm和160cm)取下的4塊樣品進(jìn)行X射線(xiàn)光電子能譜分析(XPS)，結(jié)果如圖6所示[7]。

圖6 絕緣支撐不同位置XPS結(jié)果Fig.6 XPS results for different positions of insulation support

用于絕緣支撐的玻璃鋼材料屬于環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。由XPS譜圖可以看到，復(fù)合材料表面的碳、氧、氮元素含量較多，這主要來(lái)自于環(huán)氧樹(shù)脂基體[8]；另外還有少量的鈉、鈣、硅元素，這三種元素主要來(lái)自復(fù)合材料中玻璃纖維；而在發(fā)射器前半部分區(qū)域附近檢測(cè)到少量的鋁元素(如圖6(c)、圖6(d)所示)，這主要來(lái)自鋁電樞。鋁電樞在高速滑行過(guò)程中會(huì)發(fā)生熔融并附著在絕緣支撐板表面，說(shuō)明在電樞運(yùn)動(dòng)初始階段存在金屬污染的現(xiàn)象，這和宏觀(guān)觀(guān)察的結(jié)果一致。圖6(a)、圖6(b)中沒(méi)有明顯鋁元素存在，這說(shuō)明此處鋁沉積較少。這是因?yàn)橐环矫嫣趴趨^(qū)域溫度過(guò)高，鋁金屬難以沉積在表面；另一方面，電樞離開(kāi)膛口時(shí)伴隨著沖擊波，即使少量的鋁沉積在絕緣支撐表面也會(huì)因?yàn)闄C(jī)械作用而脫落，如圖5(i)所示。

根據(jù)XPS的全譜掃描數(shù)據(jù)，由峰面積和元素靈敏度因子可以求出表面元素的相對(duì)含量。絕緣板表面不同位置的碳元素、氧元素相對(duì)含量的變化如表1所示。

表1 絕緣支撐不同位置碳元素和氧元素相對(duì)含量Tab.1 Relative content of carbon and oxygen in different positions of insulation support

通過(guò)表1對(duì)比可知，接近膛口區(qū)域的碳元素含量相對(duì)較多，而氧元素含量則相對(duì)減少，說(shuō)明膛口區(qū)域的絕緣材料碳化嚴(yán)重，這和膛口位置的絕緣支撐遭受到嚴(yán)重的電弧燒蝕有關(guān)。由于復(fù)合材料表面含氧官能團(tuán)的濃度決定了其表面的化學(xué)活性，因此氧元素含量的變化可以間接地反應(yīng)聚合物表面的化學(xué)活性，進(jìn)而反映出玻璃纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體的結(jié)合性能，而膛口附近區(qū)域的氧元素含量相比膛尾區(qū)域有所下降，這說(shuō)明膛口區(qū)域的表面活性差，絕緣材料在機(jī)械沖擊和電弧熱的作用下更容易發(fā)生破裂[9]。由圖5也可看到膛口區(qū)域有明顯的機(jī)械損傷，有接近10cm的裂口存在。

根據(jù)XPS檢測(cè)結(jié)果，Al元素的結(jié)合能在74.59～74.67eV之間，而Al2O3的結(jié)合能在74.3eV附近，說(shuō)明鋁元素的存在形式會(huì)有Al2O3，同時(shí)對(duì)氧元素的窄譜進(jìn)行分峰擬合處理的結(jié)果也可以說(shuō)明這一點(diǎn)。其中，O1s峰可分為若干個(gè)小峰，每個(gè)峰的峰位均對(duì)應(yīng)不同化學(xué)狀態(tài)的氧原子結(jié)合能[10]，絕緣支撐距膛口120cm處O1s譜圖分峰擬合結(jié)果如圖7所示。分峰結(jié)果中有明顯的Al2O3峰，并且含量較高，占主導(dǎo)地位。在電樞運(yùn)行的起始階段，處于較低速度的電樞因?yàn)榕c軌道接觸產(chǎn)生的摩擦熱作用，以及較大界面電流的焦耳熱作用，發(fā)生融蝕并產(chǎn)生金屬蒸汽。一部分鋁金屬蒸汽會(huì)結(jié)合空氣中的氧，在絕緣材料的表面形成Al2O3，附著在絕緣支撐的表面，造成金屬污染。此外，還有一部分其他氧化物存在，這些氧化物是玻璃纖維中的氧化鈣和氧化硅。這些氧化物具有很高的熔點(diǎn)(氧化鈣：2845K；氧化硅：1923K)和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，能夠在高溫下保持穩(wěn)定。

圖7 O1s峰精細(xì)譜圖分峰擬合結(jié)果Fig.7 Peak fitting results of O1s peak fine spectra

4.3 表面電阻率

絕緣材料的表面電阻率是衡量材料絕緣性能的重要指標(biāo)，常用的絕緣材料表面電阻率在1013Ω以上。表面電阻率降低會(huì)導(dǎo)致泄露電流增大，降低系統(tǒng)效率，甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)。

使用EST121型數(shù)字高阻計(jì)對(duì)絕緣板表面電阻進(jìn)行測(cè)量，電極為5cm鋁箔電極，兩電極平行放置，間距為2mm。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按照GB1410-2006，表面電阻率的計(jì)算公式為[11]：

式中，ρs表示表面電阻率(Ω)；Rs表示材料的表面電阻(Ω)；b表示測(cè)量電極的長(zhǎng)度(mm)；d表示環(huán)形電極間距(mm)。

圖8為左、右絕緣支撐板表面電阻率的測(cè)量結(jié)果?？梢钥闯鼋^緣板表面電阻率在105Ω量級(jí)左右，而在發(fā)射前測(cè)得的絕緣板表面電阻率在1010Ω左右，說(shuō)明絕緣材料的表面電阻率下降約5個(gè)左右數(shù)量級(jí)，已經(jīng)基本處于半導(dǎo)體狀態(tài)，而且對(duì)比左右支撐板的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，右絕緣支撐板的表面電阻率降低得更為嚴(yán)重。圖8(a)對(duì)比顯示了電樞電流和表面電阻率之間的關(guān)系，結(jié)果表明表面電阻率較大的地方，電樞電流也相對(duì)較大，側(cè)面說(shuō)明此處燒蝕和沉積較為嚴(yán)重?？傮w而言，絕緣板中部區(qū)域及膛口位置也是表面電阻率下降嚴(yán)重的區(qū)域。在電磁發(fā)射裝置中影響絕緣材料表面電阻率下降的因素很多，諸如XPS檢測(cè)到的電樞鋁沉積的金屬污染，以及膛內(nèi)金屬蒸汽的高溫對(duì)絕緣材料的介電強(qiáng)度的影響，還有電弧燒蝕造成絕緣材料的碳化等。

圖8 兩側(cè)支撐板表面電阻率Fig.8 Surface resistivity of two side support plates

4.4 結(jié)果分析

在電磁發(fā)射的起始階段，由于焦耳熱和摩擦熱的作用，電樞發(fā)生融蝕。在運(yùn)動(dòng)到中部區(qū)域前，電樞速度還未達(dá)到很高，以致熔融鋁液飛濺附著到絕緣板表面。這與顯微觀(guān)察時(shí)發(fā)現(xiàn)的在經(jīng)過(guò)多次重復(fù)發(fā)射電樞的作用后，發(fā)射器前半段金屬熔融物形成的波狀條紋現(xiàn)象一致。在電磁發(fā)射的后半段，由于電樞速度過(guò)快帶來(lái)的沖擊以及膛口較高的溫度，膛口附近的損傷以燒蝕為主。對(duì)于表面電阻率，鋁金屬沉積會(huì)比燒蝕帶來(lái)更為嚴(yán)重的影響。因此，表面電阻率會(huì)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。

電磁發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)致絕緣材料表面電阻率下降的因素主要有三點(diǎn)。首先是燒蝕導(dǎo)致的碳化，從XPS能譜圖可以看出，在膛口處碳元素含量較高，碳化較為嚴(yán)重，表面電阻率較小[12]。其次，金屬沉積也會(huì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂表面電阻率產(chǎn)生很大影響，XPS能譜圖顯示在發(fā)射器中部存在一定的鋁元素。單質(zhì)鋁的電阻率極低(2.83×10-8Ω·m)，即使是少量的鋁沉積也會(huì)極大降低表面電阻率，因此中部的表面電阻率最低。膛口處的鋁元素較少和溫度有較大關(guān)系。膛口處存在電弧現(xiàn)象，溫度較高，鋁單質(zhì)和氧化物難以存在；并且伴隨沖擊力，鋁蒸汽難以附著在玻璃纖維表面。燒蝕對(duì)于表面電阻率的影響遠(yuǎn)沒(méi)有金屬沉積的影響大，因而膛口處表面電阻率相對(duì)較高。最后是沖擊損傷，發(fā)射過(guò)程的沖擊力會(huì)使得玻璃鋼表面的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣脫落，漏出玻璃纖維，盡管玻璃纖維具有較高的電阻率，但依然小于環(huán)氧樹(shù)脂的表面電阻率，因此玻璃纖維含量的相對(duì)上升也會(huì)一定程度降低表面電阻率[13]。因此，表面電阻率下降現(xiàn)象是燒蝕，金屬沉積和沖擊損傷三種因素共同作用的結(jié)果。

由于金屬沉積和燒蝕損傷具有一定的分布規(guī)律，所以可以通過(guò)合理安排絕緣材料的配置提高絕緣支撐性能。最近的實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)氧樹(shù)脂具有較好的抗金屬污染能力，而陶瓷具有較好的抗燒蝕能力。因此，在發(fā)射器金屬污染較為嚴(yán)重的前半段區(qū)域，可采用環(huán)氧樹(shù)脂材料作為支撐；發(fā)射器燒蝕損傷較為嚴(yán)重的后半段區(qū)域，可以用陶瓷材料作為絕緣支撐。并且，一些改進(jìn)陶瓷，如氮化硅陶瓷，具有較強(qiáng)的抗金屬污染能力，比傳統(tǒng)陶瓷更適合作為絕緣支撐。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)90發(fā)大電流電磁發(fā)射試驗(yàn)后絕緣側(cè)板表面情況的分析，得到如下結(jié)論：

(1)重復(fù)電磁發(fā)射試驗(yàn)后，絕緣側(cè)板的表面電阻率會(huì)降低，主要是由于鋁電樞的熔融物附著在絕緣板表面所致，通過(guò)顯微觀(guān)測(cè)熔融鋁的形態(tài)為波狀條紋，并且集中分布在絕緣板前中部區(qū)域。

(2)通過(guò)XPS檢測(cè)驗(yàn)證了絕緣板表面鋁元素的存在，并根據(jù)復(fù)合材料氧元素含量的變化推測(cè)出膛口區(qū)域存在碳化現(xiàn)象，表面活性相對(duì)較差，容易遭到破壞。

(3)電磁發(fā)射裝置絕緣側(cè)板的絕緣性能下降會(huì)直接影響電磁發(fā)射系統(tǒng)的效率和使用壽命，本試驗(yàn)的結(jié)果可為改進(jìn)絕緣支撐材料的設(shè)計(jì)、延長(zhǎng)發(fā)射器壽命提供理論依據(jù)。

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