电磁轨道发射装置绝缘支撑性能研究

夏天威， 徐 蓉， 袁伟群， 严 萍(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院大学， 北京 100049;3. 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室， 北京 100190)

1 引言

电磁发射技术能够将电能转化为动能，具有速度高、距离远、可控性强等优点，在军事、航空和科学实验等领域具有广泛的应用前景。在电磁发射运行过程中，存在着力、电、热多重耦合作用[1-3]。发射装置中的绝缘支撑结构破坏频发，尤其在重复运行发射过程中，由于电磁发射过程复杂，绝缘支撑结构的性能受到多种因素的影响。

目前国内外学者针对电磁发射装置绝缘支撑结构绝缘性能的研究较少。早期的研究人员将研究重点放在发射装置绝缘材料的选择和评估方面，以及在使用等离子体电枢发射器时如何减少对绝缘支撑结构烧蚀的措施上，Rosenwasser和Stevenson等人[4]对比分析了几种常用电磁发射备选绝缘材料，发现陶瓷和改进陶瓷材料具有较好的抗烧蚀、抗热冲击能力，环氧树脂具有较好的抗断裂能力；Monfredo等人[5]研究发现绝缘支撑表面的破坏主要来自类似等离子体电枢发射过程中出现的消融破坏，以及机械冲击损伤。华中科技大学的汤亮亮等人[6]对电枢融蚀现象进行仿真和实验，结果表明较大的发射电流使得电枢融蚀并沉积在轨道和绝缘支撑表面。研究分析重复发射试验中支撑结构绝缘劣化，可以为提高电磁发射系统性能和效率提供重要的依据。

为了研究电磁发射绝缘劣化的原因和规律，本文通过建立电磁发射多发试验，根据多发试验结果，对绝缘支撑侧板进行分析和测试。结合测试结果，总结出电枢的金属沉积和烧蚀是绝缘性能下降的主要原因，并存在一定分布规律，这些可为后续进行电磁发射实验和装置设计提供建议和参考。

2 试验系统

2.1 脉冲电源系统

本试验所用的脉冲电源系统为 3MJ 脉冲电源系统，由30个独立储能的脉冲模块构成，如图1所示。单个电源模块储能电容为2mF，最大充电电压 10kV，最大放电电流 1MA，半高宽在3ms左右。

图1 脉冲电源系统Fig.1 Pulse power system

2.2 电磁发射装置

实验中采用的电磁发射装置如图2所示。发射器长1890mm，口径为20mm×20mm。电枢材料为6061铝合金，质量24.7g。轨道材料为铬锆铜合金。绝缘支撑结构包括两块绝缘压板和两块绝缘支撑板，材料均为玻璃纤维增强型环氧树脂3240。

图2 1890mm电磁发射装置Fig.2 1890mm electromagnetic launcher

2.3 测量系统

测量系统主要包括对膛口电压、脉冲电流、电枢速度等参数的测量。膛口电压的测量采用探头型分压器，分压比为1∶1000。轨道电流的测量则是采用灵敏度较高的外积分Rogowski线圈。电枢速度采用B-dot磁探针测速法，通过测量磁探针感应电压过零时刻，即可得到电枢到达磁探针所在位置的时刻。通过多组磁探针的测量可以得到电枢运动的位移-时间曲线，通过计算可以得到电枢的速度曲线。

3 发射实验

发射实验中，将电枢设置在距膛尾54.5mm处位置。实验使用30组电源模块，每组模块充电电压设定为5kV，分时序放电，峰值电流最大可以达到450kA。重复发射实验共进行了90次，每10次对电流数据进行统计，结果如图3所示。发射过程中，放电时间约为3ms，放电电流420～500kA。图4为其中一次发射试验中电枢位置和速度曲线图。由图4可知，电枢的运行速度在1000mm后趋于平缓，在膛口处速度最大，约为2.2km/s。随着重复发射实验的进行，电枢速度逐渐减小并趋于稳定。这是因为电磁发射过程中固体电枢熔融并沉积在轨道表面，沉积层会增大滑动接触电阻，降低系统效率。

图3 重复发射电流图Fig.3 Repetitive emission current pattern

图4 电枢位置-速度曲线Fig.4 Armature position and velocity curve

4 结果分析

4.1 绝缘支撑表面宏观形貌

在第3节试验条件下进行多次重复发射试验后，观察发射实验后的绝缘支撑表面情况，如图5所示。可以看出，从膛尾到膛口方向，绝缘板表面碳化程度越来越明显，颜色逐渐加深，局部位置出现明显的机械破坏现象，具有大小不一的凹坑与裂缝，破坏十分严重。在发射器中部区域可观察到零散的金属铝附着在绝缘板表面及边缘，而膛口区域的表面烧蚀最为严重，绝缘材料表面碳化程度高，范围大，局部区域出现长达10cm裂缝，并且伴随着明显的绝缘材料剥落现象。

图5 绝缘支撑板损伤情况Fig.5 Damage situation of insulation support plate

4.2 X射线光电子能谱分析

为了探究玻璃钢材料经过多次电磁发射实验后表面成分的变化，对绝缘板表面不同位置处(距膛口40cm、80cm、120cm和160cm)取下的4块样品进行X射线光电子能谱分析(XPS)，结果如图6所示[7]。

图6 绝缘支撑不同位置XPS结果Fig.6 XPS results for different positions of insulation support

用于绝缘支撑的玻璃钢材料属于环氧树脂复合材料。由XPS谱图可以看到，复合材料表面的碳、氧、氮元素含量较多，这主要来自于环氧树脂基体[8]；另外还有少量的钠、钙、硅元素，这三种元素主要来自复合材料中玻璃纤维；而在发射器前半部分区域附近检测到少量的铝元素(如图6(c)、图6(d)所示)，这主要来自铝电枢。铝电枢在高速滑行过程中会发生熔融并附着在绝缘支撑板表面，说明在电枢运动初始阶段存在金属污染的现象，这和宏观观察的结果一致。图6(a)、图6(b)中没有明显铝元素存在，这说明此处铝沉积较少。这是因为一方面膛口区域温度过高，铝金属难以沉积在表面；另一方面，电枢离开膛口时伴随着冲击波，即使少量的铝沉积在绝缘支撑表面也会因为机械作用而脱落，如图5(i)所示。

根据XPS的全谱扫描数据，由峰面积和元素灵敏度因子可以求出表面元素的相对含量。绝缘板表面不同位置的碳元素、氧元素相对含量的变化如表1所示。

表1 绝缘支撑不同位置碳元素和氧元素相对含量Tab.1 Relative content of carbon and oxygen in different positions of insulation support

通过表1对比可知，接近膛口区域的碳元素含量相对较多，而氧元素含量则相对减少，说明膛口区域的绝缘材料碳化严重，这和膛口位置的绝缘支撑遭受到严重的电弧烧蚀有关。由于复合材料表面含氧官能团的浓度决定了其表面的化学活性，因此氧元素含量的变化可以间接地反应聚合物表面的化学活性，进而反映出玻璃纤维与环氧树脂基体的结合性能，而膛口附近区域的氧元素含量相比膛尾区域有所下降，这说明膛口区域的表面活性差，绝缘材料在机械冲击和电弧热的作用下更容易发生破裂[9]。由图5也可看到膛口区域有明显的机械损伤，有接近10cm的裂口存在。

根据XPS检测结果，Al元素的结合能在74.59～74.67eV之间，而Al2O3的结合能在74.3eV附近，说明铝元素的存在形式会有Al2O3，同时对氧元素的窄谱进行分峰拟合处理的结果也可以说明这一点。其中，O1s峰可分为若干个小峰，每个峰的峰位均对应不同化学状态的氧原子结合能[10]，绝缘支撑距膛口120cm处O1s谱图分峰拟合结果如图7所示。分峰结果中有明显的Al2O3峰，并且含量较高，占主导地位。在电枢运行的起始阶段，处于较低速度的电枢因为与轨道接触产生的摩擦热作用，以及较大界面电流的焦耳热作用，发生融蚀并产生金属蒸汽。一部分铝金属蒸汽会结合空气中的氧，在绝缘材料的表面形成Al2O3，附着在绝缘支撑的表面，造成金属污染。此外，还有一部分其他氧化物存在，这些氧化物是玻璃纤维中的氧化钙和氧化硅。这些氧化物具有很高的熔点(氧化钙：2845K；氧化硅：1923K)和稳定的化学性质，能够在高温下保持稳定。

图7 O1s峰精细谱图分峰拟合结果Fig.7 Peak fitting results of O1s peak fine spectra

4.3 表面电阻率

绝缘材料的表面电阻率是衡量材料绝缘性能的重要指标，常用的绝缘材料表面电阻率在1013Ω以上。表面电阻率降低会导致泄露电流增大，降低系统效率，甚至产生危险。

使用EST121型数字高阻计对绝缘板表面电阻进行测量，电极为5cm铝箔电极，两电极平行放置，间距为2mm。测试标准按照GB1410-2006，表面电阻率的计算公式为[11]：

式中，ρs表示表面电阻率(Ω)；Rs表示材料的表面电阻(Ω)；b表示测量电极的长度(mm)；d表示环形电极间距(mm)。

图8为左、右绝缘支撑板表面电阻率的测量结果。可以看出绝缘板表面电阻率在105Ω量级左右，而在发射前测得的绝缘板表面电阻率在1010Ω左右，说明绝缘材料的表面电阻率下降约5个左右数量级，已经基本处于半导体状态，而且对比左右支撑板的测量结果发现，右绝缘支撑板的表面电阻率降低得更为严重。图8(a)对比显示了电枢电流和表面电阻率之间的关系，结果表明表面电阻率较大的地方，电枢电流也相对较大，侧面说明此处烧蚀和沉积较为严重。总体而言，绝缘板中部区域及膛口位置也是表面电阻率下降严重的区域。在电磁发射装置中影响绝缘材料表面电阻率下降的因素很多，诸如XPS检测到的电枢铝沉积的金属污染，以及膛内金属蒸汽的高温对绝缘材料的介电强度的影响，还有电弧烧蚀造成绝缘材料的碳化等。

图8 两侧支撑板表面电阻率Fig.8 Surface resistivity of two side support plates

4.4 结果分析

在电磁发射的起始阶段，由于焦耳热和摩擦热的作用，电枢发生融蚀。在运动到中部区域前，电枢速度还未达到很高，以致熔融铝液飞溅附着到绝缘板表面。这与显微观察时发现的在经过多次重复发射电枢的作用后，发射器前半段金属熔融物形成的波状条纹现象一致。在电磁发射的后半段，由于电枢速度过快带来的冲击以及膛口较高的温度，膛口附近的损伤以烧蚀为主。对于表面电阻率，铝金属沉积会比烧蚀带来更为严重的影响。因此，表面电阻率会呈现先下降后上升的趋势。

电磁发射过程中导致绝缘材料表面电阻率下降的因素主要有三点。首先是烧蚀导致的碳化，从XPS能谱图可以看出，在膛口处碳元素含量较高，碳化较为严重，表面电阻率较小[12]。其次，金属沉积也会对环氧树脂表面电阻率产生很大影响，XPS能谱图显示在发射器中部存在一定的铝元素。单质铝的电阻率极低(2.83×10-8Ω·m)，即使是少量的铝沉积也会极大降低表面电阻率，因此中部的表面电阻率最低。膛口处的铝元素较少和温度有较大关系。膛口处存在电弧现象，温度较高，铝单质和氧化物难以存在；并且伴随冲击力，铝蒸汽难以附着在玻璃纤维表面。烧蚀对于表面电阻率的影响远没有金属沉积的影响大，因而膛口处表面电阻率相对较高。最后是冲击损伤，发射过程的冲击力会使得玻璃钢表面的环氧树脂绝缘脱落，漏出玻璃纤维，尽管玻璃纤维具有较高的电阻率，但依然小于环氧树脂的表面电阻率，因此玻璃纤维含量的相对上升也会一定程度降低表面电阻率[13]。因此，表面电阻率下降现象是烧蚀，金属沉积和冲击损伤三种因素共同作用的结果。

由于金属沉积和烧蚀损伤具有一定的分布规律，所以可以通过合理安排绝缘材料的配置提高绝缘支撑性能。最近的实验表明，环氧树脂具有较好的抗金属污染能力，而陶瓷具有较好的抗烧蚀能力。因此，在发射器金属污染较为严重的前半段区域，可采用环氧树脂材料作为支撑；发射器烧蚀损伤较为严重的后半段区域，可以用陶瓷材料作为绝缘支撑。并且，一些改进陶瓷，如氮化硅陶瓷，具有较强的抗金属污染能力，比传统陶瓷更适合作为绝缘支撑。

5 结论

通过对90发大电流电磁发射试验后绝缘侧板表面情况的分析，得到如下结论：

(1)重复电磁发射试验后，绝缘侧板的表面电阻率会降低，主要是由于铝电枢的熔融物附着在绝缘板表面所致，通过显微观测熔融铝的形态为波状条纹，并且集中分布在绝缘板前中部区域。

(2)通过XPS检测验证了绝缘板表面铝元素的存在，并根据复合材料氧元素含量的变化推测出膛口区域存在碳化现象，表面活性相对较差，容易遭到破坏。

(3)电磁发射装置绝缘侧板的绝缘性能下降会直接影响电磁发射系统的效率和使用寿命，本试验的结果可为改进绝缘支撑材料的设计、延长发射器寿命提供理论依据。

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