摘要：纳米金属粉在许多方面具有独特的优异性能，在国民经济和国防各领域都具有广阔的运用前景。但目前纳米金属粉的运用领域却十分有限，其理由主要是纳米粉昂贵，缺乏工业级宏量化可制约备技术。丝电爆技术用于纳米粉制备时具有许多优势，被认为是一种适合工业化规模生产纳米粉的策略。已有的丝电爆策略都是首先将金属丝与电极可靠接触，然后施加脉冲高电压，大电流通过接触的方式以电极导入到金属丝而发生电爆。但这种接触式丝电爆策略有着设备故障率高、烧损电极、粉末中始终有着微米级大颗粒等许多不足，而这些不足的产生几乎都与接触导入电流方式有关。为此本论文提出了利用气体放电导入电流的丝电爆新策略，并对其进行了系统探讨。为了实现通过气体放电导入电流，建立了两种气体放电式丝电爆策略，即孔-板电极式丝电爆策略和圆锥电极式丝电爆策略，并对这两种策略的气隙击穿特性进行了探讨。在孔-板电极式丝电爆历程中，有着单气隙放电和双气隙放电两种气体放电方式，单气隙放电的击穿电压比双气隙放电的击穿电压小。能够发生双气隙放电时对应金属丝的最小长度，为适合丝电爆发生的最佳长度。在圆锥电极式丝电爆历程中，只有着双气隙放电方式，更便于工程运用。丝端部与电极之间的气隙放电历程与尖-板电极间气体放电历程相似：随着初始充电电压的增加，击穿气隙会逐渐增大，气隙的平均击穿场强随之减小。气隙的击穿电压与电极间距有关，电极间距增大后，气隙的击穿电压随之增大。丝电爆历程中，电流可以通过接触和气体放电两种方式导入到金属丝上，通过实验结果认识电流的导入机制。这两种方式导入电流时，光测量装置检测到的丝端部光电流都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；由探针收集的产物可知，金属丝端部主要形成金属熔融粒子，丝中间部分主要形成金属蒸汽；通过气体放电方式导入电流时，电极烧损显著减轻，并可以避开“积瘤”产生。浅析可知，接触方式导入电流时丝端部也有着气体放电现象，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”主要理由。进行丝电爆制备纳米粉实验，利用探针直接采集金属丝各部分形成的粉末，确定微米级大颗粒的形成位置，认识微米级大颗粒的形成特点。在丝端部形成的粉末中，微米级大颗粒比例要比丝中间部分的比例大。这种现象的理由是能量向丝中间部分和丝端部沉积的方式不同。在丝中间部分，能量主要通过焦耳加热作用沉积，而在丝端部，还会受到等离子体中高温带电粒子的高速撞击作用，这也会向丝端部沉积一部分能量。实验还发现，初始电压过高时粉末中微米级大颗粒的比例也会较大，其理由是丝表面发生了沿面放电现象，形成的等离子体湮没整根金属丝。等离子体对电流的旁路作用使丝上的沉积能量减小，由此粉末中微米级大颗粒比例也显著较大。最适合制备纳米粉的初始电压，为金属丝表面不发生沿面放电时对应的最高电压。进一步浅析可知，丝表面沿面放电现象发生的平均击穿场强约为2.37kV/cm。丝表面不发生沿面放电时，沉积在丝上的能量密度随初始线能量的增加而增大，发生沿面放电后，能量密度就会迅速减小。建立了丝表面气体层模型，对气体放电式丝电爆历程进行电路模拟，认识能量沉积特点及其与工艺参数的联系。该模型考虑到了沿面放电现象对金属丝上沉积能量的影响，更接近丝电爆现象的实际情况。结果表明，丝端部放电气隙δ对气体放电式丝电爆历程影响很小；减小放电回路电感可显著提升能量沉积速率；在保持电容器储能不变的情况下，通过提升初始电压和减小电容的策略可以提升能量沉积速率；通过合理匹配金属丝直径和长度能够使爆炸前在金属丝上沉积足够的能量。在以上对气体放电式丝电爆策略探讨的基础上，开发了一套实验室规模的气体放电式丝电爆制备纳米粉设备，该设备适合的金属丝直径范围为0.05~0.8mm，金属丝长度范围为25~100mm，爆炸频率可达2.1HZ以上，送丝率可达105mm/s以上。本设备在适用的丝径范围和生产效率方面优于国内外已有的电爆设备。关键词：丝电爆论文气体放电论文能量密度论文纳米粉论文电路模拟论文
摘要8-10
Abstract10-13
第一章 绪论13-27
1.1 纳米金属粉体概述13-14
1.1.1 纳米金属粉在各领域的作用和作用13-14
1.1.2 纳米金属粉工业化历程中的不足14
1.2 丝电爆制备纳米粉的探讨近况14-24
1.2.1 丝电爆制备纳米粉基本原理14-15
1.2.2 丝电爆制备纳米粉探讨15-19
1.2.3 丝电爆物理机制的探讨19-22
1.2.4 丝电爆制备纳米粉有着的不足22-24
1.3 本论文构想24-27
1.3.1 本论文探讨内容24-25
1.3.2 本论新点25-27
第2章 实验装置及诊断策略27-44
2.1 气体放电式丝电爆实验装置27-29
2.1.1 孔—板电极式丝电爆装置27-28
2.1.2 圆锥电极式丝电爆装置28-29
2.2 粉末采集和浅析策略29-31
2.2.1 采集粉末的探针设计29-30
2.2.2 颗粒尺寸和比例的浅析策略30-31
2.3 光照度测量装置31-33
2.4 丝电爆历程的电压电流测量装置33-43
2.4.1 罗氏线圈设计33-38
2.4.2 开关型电阻分压器设计38-43
2.5 本章小结43-44
第3章 丝电爆历程中气隙击穿特性和电流导入机制44-64
3.1 孔—板电极式丝电爆策略中的气隙击穿特性44-56
3.1.1 实验策略45
3.1.2 气隙击穿放电特性及影响45-50
3.1.3 光电流和回路放电电流50-53
3.1.4 金属丝各位置形成的粉末53-55
3.1.5 电极烧损和“积瘤”55-56
3.2 圆锥电极式丝电爆策略中的气隙击穿特性56-61
3.2.1 实验策略56-57
3.2.2 气隙击穿放电特性及影响57-60
3.2.3 粉末特点和电极烧损60
3.2.4 光电流和回路放电电流60-61
3.3 电流以电极导入到金属丝的机制浅析61-63
3.4 本章小结63-64
第4章 丝电爆制备纳米粉历程中的微米级大颗粒64-81
4.1 微米级大颗粒形成历程64-73
4.1.1 金属丝各部分形成粉末的特点66-70
4.1.2 各部分粉末中微米级大颗粒比例70-71
4.1.3 粉末形成历程浅析71-73
4.2 减少微米级大颗粒的工艺参数优化73-79
4.2.1 电极间距和初始电压的影响74-77
4.2.2 初始电压的制约77-78
4.2.3 电极间距的制约78-79
4.3 丝上能量沉积历程浅析79-80
4.4 本章小结80-81
第5章 气体放电式丝电爆历程的能量沉积特点81-97
5.1 丝电爆历程的电路模拟81-86
5.1.1 物理模型81-82
5.1.2 数值模拟策略82-83
5.1.3 金属丝时变电阻83-84
5.1.4 模拟结果与实验结果84-86
5.2 金属丝上的沉积能量86-95
5.2.1 气体放电的影响86-88
5.2.2 电路参数的影响88-92
5.2.3 金属丝参数的影响92-95
5.3 本章小结95-97
第6章 丝电爆制备纳米粉设备开发97-109
6.1 气体放电式丝电爆装置原理97-98
6.2 电路部分浅析与设计98-100
6.2.1 充电电路设计98-99
6.2.2 放电回路浅析99-100
6.3 结构部分的设计100-106
6.3.1 整体结构100-102
6.3.2 电极设计102-103
6.3.3 同轴导电装置设计103
6.3.4 送丝装置设计103-106
6.3.5 粉末收集系统106
6.4 丝电爆设备制备纳米粉历程106-107
6.5 本章小结107-109
结论109-112
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