石墨烯涂层对电磁轨道炮滑动电接触性能的影响

杜传通，雷 彬，吕庆敖，邢彦昌，张 倩

(军械工程学院 弹药工程系，河北 石家庄 050003)

电磁轨道炮是一种利用电磁能将弹丸加速至超高速的新概念动能武器，具有初速高、可控性强、成本低等优点，在军事领域具有重大的研究价值[1]。与传统火炮发射环境不同，电磁轨道炮发射弹丸的过程中需承受脉冲大电流，会产生复杂的电气、机械及热作用，容易导致轨道出现损伤现象，难以满足实战化的要求[2]。目前针对电磁轨道炮损伤问题，各国研究人员进行了大量的损伤机理分析和试验研究，主要分为研发高强高导材料和改进电枢与轨道配合结构等方面[3-4]，虽然取得了一定的成果，但仍存在系统效率低、结构设计复杂、连续发射受限等不足。因此，仍需寻找或设计新的抑制方法。Matthew等应用Ashby法对电枢和轨道材料进行了优化选择，得出材料的磁能最大化与耐用性是矛盾的结论，并提出以导电性良好的材料为基体，耐磨损材料为摩擦面的层状结构最能满足电磁轨道炮发射性能要求[5]。因此，涂层材料的选用逐步受到关注。

2004年，Novoselov等采用机械剥离的方式成功制备了一种具有独特性能的新型碳纳米材料——石墨烯[6]。石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化堆积方式构成的蜂窝状晶格结构，在力学、电学、热学等方面具有优异的性能[7]。例如，石墨烯的初始强度为130 GPa，是钢铁材料的100多倍，且具有很好的韧性[8]；其导电率可达106S/m，具有优良的导电性能，是一种典型的半金属材料[9]。同时，石墨烯也是一种化学性质和热性能较稳定的碳材料，其室温热传导系数高达5 000 W/(m·K)，高于碳纳米管和金刚石，且相比于金属镀层，不易形成其他的金属化合物来增大接触电阻，在高温下具有较好的稳定性[10]。可见，石墨烯对提高电磁轨道炮滑动电接触性能具有较大的应用潜力。

笔者通过理论分析和有限元仿真，研究了石墨烯涂层对枢轨界面电接触和电枢中电流密度的影响，并采用对比试验方法设计发射试验，测量了炮口电压信号和放电电流信号，并结合数值计算的方法得到其接触电阻曲线，分析石墨烯涂层对滑动电接触特性的影响。

1 石墨烯涂层的应用分析

1.1 理论分析

枢轨间的滑动电接触状态影响了电枢滑动的稳定性、初速度及系统效率，是电磁轨道炮发射技术研究的重要内容[11]。根据电接触理论，实际接触表面是粗糙、凹凸不平的[12]。因此，实际接触面积并不是视在接触区域的面积，而是由许多接触斑点(小面)组成，如图1所示。这些实际接触斑点承受着全部的外加接触力，其中那些导通电流的更小的斑点称为“导电斑点”。

当电流通过接触界面时，电流线将在导电斑点附近发生收缩效应，使得有效导电面积减小，产生收缩电阻。根据Holm电接触理论，不同接触材料单个斑点的接触电阻Rs可表示为[13]

(1)

式中:ρ1和ρ2为接触材料的电阻率；a为导电斑点半径。

为分析石墨烯涂层对枢轨界面的作用情况，假设石墨烯涂层的电阻率为ρf，厚度为d，涂层中的电流密度均匀分布，且石墨烯涂层与基体界面认为是一等位面，则石墨烯涂层电阻Rf表示为

(2)

当涂层厚度d较薄且与导电斑点半径a相近时，接触电阻Rc为

(3)

由式(3)可知，接触电阻Rc与导电斑点a的关系为

(4)

由于导电斑点半径小，不易定量表示，常将其以宏观参数来近似表示。假设枢轨界面压力为F，枢轨接触材料中较软铝电枢材料的强度为σ，则实际接触面积可表示为[1]

(5)

当接触斑点大小相等，数量为N时，接触斑点半径a即可表示为

(6)

枢轨界面的电压降是反应接触电阻产生焦耳热的直接依据。由图1可知，流过单个导电斑点的电流为I/N，则该导电斑点处的电压降U可表示为

(7)

式(7)表明，枢轨接触面间热量产生的速率与导电斑点数的平方根成反比例关系。因此，石墨烯可作为一种界面填充材料，增大接触面积和导电斑点数目，降低枢轨界面的电压降和生热率。

同时，石墨烯层与层之间的范德华作用力较小，具有较低的层间摩擦系数和较好的自身润滑性，对减小枢轨间的摩擦系数也有一定的作用。且与其他碳材料(如碳纳米管等)相比，石墨烯能较稳定地分散，更好地填充到枢轨界面的凹坑或空隙中。

1.2 仿真研究

为保持枢轨界面间良好的电传导，石墨烯涂层需具有较好的通流能力。根据电磁轨道炮的发射原理，建立了三维仿真模型，并在相同的激励条件下，对普通U形铝电枢和表面“粘有”碳材料涂层的U形铝电枢进行了电流密度分布特性研究，其中碳材料涂层的电导率和热传导系数分别设置为106S/m和103W/(m·k)。参考文献[13]的仿真参数设置方式，采用具有平台效应的脉冲电流作为激励源，如图2所示。仿真中不考虑电枢运动所带来的趋肤效应，并对涂层部分进行了网格细化，如图3所示。

利用电磁场有限元软件MAXWELL的瞬态场求解器进行数值仿真后，得到不同电枢表面的电流密度分布云图，图4为不同电枢在1 ms时的计算结果。

由图4可知，两种电枢前端的电流密度均较大，且在电枢前端左右两个部位都出现了最高的电流密度分布；在相同时刻，与普通U形铝电枢相比，表面“粘有”碳材料涂层的U形铝电枢的电流密度极大值较高，但相同位置处电流密度相近，表明高导电性的碳材料涂层并不会影响枢轨间的电传导。

2 试验研究

2.1 试验设计

为保证单一变量因素，通过设置相同的发射条件，在两组新轨道上分别对普通U形电枢和石墨烯涂层U形电枢进行6发重复发射试验。

2.2 电源系统

试验采用的电源系统主要由5组高功率脉冲电容器储能电源模块组成，其中单个模块的额定充电电压为10 kV，电容2 mF，储能最高可达100 kJ。各模块通过光纤与控制平台连接，以实现模块的时序可控触发和电压泄放。

图5为电源模块电路图，调压器T1、高压试验变压器T2、高压整流硅堆D、脉冲电容器C、急停开关和限流电阻Ro组成直流充电回路，对脉冲电容器进行充电；通过对间隙开关G1的控制，脉冲电容器对负载RF快速放电，获得所需的脉冲大电流和较高的瞬时功率。

试验中设定充电电压为7 kV，5组电源模块放电时序参数为(0，0，0，500，800)μs。

2.3 发射器与电枢

试验采用口径为20 mm×20 mm，有效长度为1 m的电磁轨道发射器。轨道为矩形黄铜材料，其中截面为10 mm×40 mm。装配前，用细砂纸和丙酮对轨道表面进行去污处理。同时为减小电枢发射过程中的振动，采用环氧树脂板上下压紧的方式固定两侧轨道。

图6为试验用的不同电枢的实物图，电枢的本体材料为6061铝合金，质量约17 g，为保证电枢与导轨间具有较好的初始预紧力，电枢接触臂尾端径向尺寸为21.4 mm；图6(b)中石墨烯涂层的厚度约100 μm，可忽略不计。

2.4 测试系统

本文滑动电接触试验测量的参数主要为放电电流I和炮口电压U。放电电流由5组脉冲电容器储能模块各自内部独立的罗果夫斯基(Rogowski)线圈测量后合成得到，罗果夫斯基线圈是基于电磁感应定律，利用被测脉冲大电流I产生的磁场在线圈内感应的电压e来测量电流的，其中i为测量线圈上的电流，其结构如图7所示。

炮口电压采用分压比1:1 306的自制柱状分压器连接两侧轨道炮口端进行测量。图8所示为测量系统示意图。

为准确估算滑动接触电阻的变化规律，可将轨道炮的电路模型表示为图9。其中i(t)为回路电流，Um(t)为炮口电压，Rc(t)为接触电阻，Ra为电枢体电阻，Rr_l为电枢未滑经的单侧轨道电阻。

因为电枢和轨道都是导电性良好的材料，则Ra和Rr_l阻值可忽略不计，接触电阻可近似地表示为

(8)

3 结果与分析

两组重复发射试验中，模块电源的充电电压和放电时序均设定了相同参数，笔者以两组试验的最后一发为典型进行了分析。图10为发射普通U形电枢和石墨烯涂层U形电枢时的放电电流波形。

由于电枢出炮口瞬间的回路阻抗会发生突变，放电电流波形下降沿的转折点处即可认为电枢出膛时刻。从图10中可知，普通电枢的出膛时刻约为3.5 ms。石墨烯涂层U形电枢的出膛时刻约为3.1 ms，可见在发射距离一定的情况下，石墨烯涂层U形电枢的平均速度更高。

由式(8)计算可得到如图11所示的电枢与轨道间的滑动接触电阻。在开始阶段(小于0.25 ms)，随着接触表面污染物或氧化物等杂质被磨损，电枢与轨道实际接触面积的增大和接触斑点数目的增多，导致本阶段内两组接触电阻波形均会由较大值迅速降低。随着电流的不断增大，两轨道之间由电磁作用而产生的排斥力也逐步增大，导致接触压力变小，引起接触电阻升高，且由于石墨烯涂层的电导率低于电枢材料的电导率，小幅度地增大了电枢与轨道间的接触电阻。从0.25～0.8 ms，滑动速度的升高，接触界面温度也不断增高，在这段时间内，两组电枢与轨道间的接触电阻均逐步减小，而普通U形电枢与轨道间的接触电阻下降趋势较缓。这种区别是由于石墨烯涂层较快地“填充”了接触面间的凹陷，增大了有效接触面积，比普通U形电枢依靠电枢熔化改善电枢与轨道间接触状态更加直接。在电流下降段(大于1 ms)内，两组接触电阻最终稳定在0.2 mΩ左右。其中1～1.4 ms区间内，石墨烯涂层U形电枢与轨道间的接触电阻较大。这种变化是由于普通U形电枢比石墨烯涂层U形电枢较早产生了金属液化层而形成的。综上，石墨烯涂层会小范围内增大枢轨间的滑动接触电阻，但幅度有限，可满足枢轨界面间良好的电传导要求，并减少热量的产生。

为比较发射不同电枢时枢轨间的滑动电接触状态，对发射试验后的电枢形貌进行了分析，图12为不同电枢的表面形貌，可见，普通U形电枢表面烧蚀严重，而石墨烯涂层U形电枢表面轻微烧蚀，表明石墨烯涂层具有抗电弧烧蚀、保持电枢稳定滑动的作用。同时，石墨烯涂层U形电枢产生的融化层较少，界面间主要以石墨烯涂层作用为主。由图10分析可知，石墨烯涂层U形电枢能达到更高的发射速度，因此，石墨烯涂层对电枢滑动起到了润滑的作用。

4 结论

笔者根据石墨烯的优良特性，通过对石墨烯涂层的理论分析试验研究，得到了如下结论：

1)石墨烯涂层在降低枢轨界面的电压降和产热率方面具有较好的应用价值，且具有较好的通流能力。

2)在相同的发射条件下，石墨烯涂层U形电枢比普通U形电枢具有更高的平均发射速度。

3)石墨烯涂层会小幅度地增大枢轨界面间的接触电阻，但会减缓界面间热量的产生，与石墨烯作为界面填充材料的应用分析相应。

4)石墨烯涂层具有抗电枢烧蚀、保持电枢稳定滑动的作用，且石墨烯涂层U形电枢在不依靠轨道表面铝熔层润滑的作用下，达到了更高的发射速度，可见石墨烯涂层具有较好的润滑作用。

综上，石墨烯涂层在提高电磁轨道炮滑动电接触性能方面展现了较好应用潜力，但其作用机理尚不明确。下一步可研究改变石墨烯涂层制备工艺及厚度等参数对电磁轨道炮性能的影响，使石墨烯涂层更好地改善电磁轨道炮滑动电接触特性，提高系统效率。

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