丝电爆制备纳米粉过程中工艺参数对爆炸产物相态组成的影响

毕学松，朱 亮

（兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州730050）

0 引 言

丝电爆现象是指通过向金属丝瞬时施加大电流，使金属丝在电阻热作用下经固体加热、熔化、气化并发生爆炸的现象，电爆形成的产物与环境气体剧烈碰撞而迅速冷却，进而形成超细粉体。丝电爆方法是一种规模化制备金属纳米粉的新方法，近年来相关研究较多。其中，大部分研究都集中在粉体粒径与电爆工艺参数的相关性上，但由于这些试验都是在各自的试验设备上完成的，其结果难免存在一定差异［1－3］。通过丝电爆的物理过程可知，金属丝快速获得高密度的能量后瞬时熔化、气化，并发生爆炸，形成由气相和液相组成的爆炸产物［4］。爆炸产物在冲击波作用下向四周扩散并迅速冷却形成固体颗粒，其中气相组分形成纳米级小颗粒，而液相组分则形成尺寸较大的颗粒，一般要达微米级［5－6］。可见，爆炸产物的相态组成直接影响粉体的粒径，对其形成特征需要深入认识。

爆炸产物的相态组成主要由金属丝上的能量密度决定，能量密度越大，液相组分就越少，气相组分也就越多［7－8］。在丝电爆过程中，大电流瞬时通过金属丝，焦耳加热作用是能量产生的主要方式［9］，因此金属丝的电流密度越大，在金属丝上的能量密度也就会越大。金属丝上的电流密度与工艺参数密切相关，减小金属丝直径和放电回路电感、增大电容器初始储能等方法都可以在一定程度上增大放电回路中的电流，进而提高电流密度［1，10］。另外，采用直径不均匀的金属丝进行丝电爆试验发现，如果金属丝表面存在等离子体，大部分电流将通过等离子体，在等离子体的这种旁路作用下，电流密度也会较小［11］。虽然许多试验中都发现了金属丝表面存在等离子体的现象，但对其产生条件还没有系统的研究。

为了研究丝电爆过程中工艺参数对爆炸产物相态组成的影响，作者在气体放电式丝电爆装置上通过改变初始电压和电极间距研究了工艺参数对爆炸产物相态组成的影响，并深入分析了金属丝表面等离子体的产生条件。

1 试样制备与试验方法

气体放电式丝电爆试验装置如图1所示。高压发生器（H.V.）向储能电容器（C）充电，两电极与电容器直接相连，在电极之间建立起高压电场。送丝装置将一定长度的金属丝竖直送至高压电场中，金属丝端部与电极之间的气隙为δ，击穿放电后将大电流导入金属丝而发生电爆。采用电压表直接测电容器的初始电压。电极间距和金属丝长度均可调。

图1 气体放电式丝电爆试验装置Fig.1 Experimental setup of wire electrical explosion with gas

丝电爆过程中，爆炸产物在冲击波作用下以圆柱状向外膨胀并迅速冷却形成细小的粉体颗粒，采用平行于金属丝放置的石英探针直接进行产物收集。探针和金属丝之间的距离设置为8mm。利用JSM－6700F型扫描电镜原位分析探针上粉体颗粒的微观形貌特征，进而推断、分析爆炸产物中气相和液相的比例。

改变初始电压和电极间距进行丝电爆试验：初始电压U为5～15kV，电极间距D分别为20，35，50，65mm；储能电容器的电容为8.88μF，金属丝是纯度为99.95%的铜丝，其直径为0.33mm，其长度l与电极间距D相同，端部与电极之间的气隙δ设置为3mm。

分析探针上粉体颗粒的微观形貌，统计粉体颗粒的数量，并将颗粒近似为球形计算其体积。分别将微米级颗粒和纳米颗粒在粉体中的体积分数作为爆炸产物中液相和气相的比例。在探针上均匀选取10个位置进行同等放大比例下扫描电镜分析，计算得到其平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 初始电压和电极间距对爆炸产物相态组成的影响

由图2可见，不同初始电压下制备的粉体中都包含了大小两种颗粒，其中小颗粒近似为球形，并且小颗粒粒径变化不大，都小于100nm，而大颗粒的尺寸则达到了微米级，其形貌具有液滴状，尺寸分布范围也比较大，最大约10μm；初始电压对微米级大颗粒在粉体中的比例有明显影响，初始电压较低时，微米级大颗粒较多，随初始电压逐渐升高，微米级大颗粒逐渐减少；当初始电压达到12kV时，几乎不存在大颗粒，继续增大初始电压到15kV后，微米级大颗粒又会明显增多。不同电极间距下重复以上试验，探针收集的粉体特征和微米级大颗粒的变化规律与以上结果相似。

由图3可以看出，在各个电极间距下，爆炸产物中液相的比例随初始电压的升高先降低后升高，都是在一定初始电压下才能达到最小，初始电压较低和过高时，其比例都会增加。将液相比例的最小值定义为临界比例。由图3可以明显看出，随着电极间距的增大，液相的临界比例会逐渐减小，其对应的初始电压会逐渐增大。例如电极间距为20mm时，液相的临界比例可达75.2%（体积分数，下同）左右，而对应的初始电压只有5kV左右；当电极间距增大到65mm时，液相的临界比例减小为1.2%左右，对应的初始电压则升高到了15kV左右。

2.2 丝表面沿面放电现象

初始电压较低时，放电回路的电流全部流过金属丝，此时随初始电压的升高放电回路的电流逐渐增大，金属丝上的能量密度也会逐渐增大，如图4（a），（b）所示。在这种情况下，爆炸产物中液相的比例随初始电压的升高逐渐减小，并最终达到临界比例。

图2 不同初始电压下粉体颗粒的SEM形貌（D＝50mm）Fig.2 SEM morphology of particles at different initial charging voltages

图3 各电极间距下液相体积分数随初始电压的变化Fig.3 Volume fraction of liquid in explosion products vs initial charging voltage under different electrode gaps

初始电压过高后，液相比例又会明显增大，其主要原因是金属丝表面发生了气体击穿放电（沿面放电）现象。金属丝表面的气体首先被击穿放电的现象在许多研究中已被发现，其中文献［12］、［13］分别通过X射线照相和Mach－Zhender干涉光路的方法直接观察到了这种现象。如果金属丝表面发生沿面放电现象，整根金属丝都会湮没在等离子体中，大部分电流会通过等离子体，在等离子体对电流的这种旁路作用下，金属丝上的能量密度会明显变小，如图4（c）所示，因此爆炸产物中液相比例会较大。通过上述分析可知，在液相比例达到临界比例之前，金属丝表面没有发生沿面放电现象，当超过临界比例时，则发生了沿面放电现象。

在放电回路参数一定的情况下，金属丝上的能量密度主要取决于储能电容器中的能量E：

式中：C为储能电容器的电容；U为初始充电电压。

图4 能量密度与初始电压U的关系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－high voltage and lower energy density

图5 初始线能量与液相体积分数的关系Fig.5 Effect of initial linear energy on volume fraction of liquid in explosion products

由图3可以得到初始线能量（电容器初始储能E与丝长l的比值，即E／l或E／D）和液相比例的关系，结果如图5所示。可以看出，金属丝表面不发生沿面放电时（即液相比例达到临界比例之前），液相的比例随初始线能量的增加而逐渐减小。这表明金属丝上的能量密度随初始线能量的增加而逐渐增大。如果金属丝表面发生了沿面放电现象（液相比例达到临界比例以后），液相比例就会明显增大，此时金属丝上的能量密度就会明显减小。可见，不发生沿面放电现象时，金属丝上的能量密度随初始线能量的增大而逐渐增大；发生沿面放电现象后，金属丝上的能量密度将不再遵循这个规律，反而会明显减小，这种情况不利于丝电爆制备纳米粉。

由图3可以看出，电极间距D分别为20，35，50，65mm时，液相比例达到临界值时对应的初始电压分别约为5，8，12，15kV，这些初始电压即为金属丝表面发生沿面放电现象的临界值。经计算知金属丝表面沿面放电现象的平均击穿场强分别为2.50，2.28，2.40，2.31kV·cm－1。显然，各电极间距下金属丝表面沿面放电的平均击穿场强几乎保持不变，其平均值约为2.37kV·cm－1。相对于高压输电过程中的沿面放电现象，丝表面沿面放电的平均击穿场强明显较低［14］，这可能是因为，一方面金属丝表面发生气体放电前，在焦耳热的作用下，金属丝的温度会明显升高，这样金属丝表面容易热电离出一些带电粒子，使金属丝表面气体中带电粒子明显增多，沿面放电现象更容易发生；另一方面金属丝各位置电阻分布不均匀，即使在初始电压较低的情况下，金属丝某些位置上的电压也可能较大，这个位置上金属丝表面的电场强度也较大，表面气体首先被击穿放电，随后电子崩迅速扩展到整个丝表面，即发生沿面放电现象。

电极间距越大，沿面放电现象需要的击穿电压也越高，即沿面放电现象越难发生。电极间距较小时，在很低的初始电压下就能发生沿面放电，阻碍能量继续向金属丝沉积，使得金属丝上的能量密度较小，因此爆炸产物中液相始终较多；而电极间距较大时，则需要在较高的初始电压下才能发生沿面放电，在金属丝上沉积较大的能量密度，爆炸产物中液相比例达到较小值。

3 结 论

（1）在气体放电式丝电爆过程中，若电极间距不变，只有在一定的初始电压下液相比例才能达到最小，初始电压较低或过高时液相比例都会增加。

（2）随着电极间距的增大，爆炸产物中液相的临界比例会逐渐减小，其对应的初始电压会逐渐增大。

（3）初始电压过高时，液相比例较大的原因是丝表面发生了沿面放电现象，形成的等离子体会阻碍向金属丝产生能量；金属丝表面不发生沿面放电时，金属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，能量密度会迅速减小；不同参数下沿面放电的平均击穿场强基本不变，约为2.37kV·cm－1。

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