铜/金刚石复合材料电磁轨道烧蚀特性的实验研究北大核心CSCD

通过对电磁轨道发射初期阶段,铜/金刚石复合材料轨道在预紧力0.4-2.0kN、电流100-300kA下的滑动电烧蚀实验分析发现：由于受到焦耳热及电弧热的双重作用,铜/金刚石复合材料的质量损失、烧蚀深度随电流的增大而呈现增加趋势,随预紧力的增加而呈下降趋势;在主烧蚀区域形成凹凸不平的形貌,由于部分金刚石的脱落形成一定数量的微孔,在强交变温度场作用下产生了热应力裂纹;在烧蚀区域的边缘,主要由于熔融液态金属受强电磁场涡流的作用而形成微凸及飞溅形貌;在滑动电接触区域则表现为电枢微凸体与轨道之间摩擦形成的划痕,其磨损机制为磨粒磨损;在铜/金刚石复合材料主烧蚀区的横截面,由于轨道材料的长高比过大而造成散热速率的不同,形成不同尺度的晶粒组织,表面硬度下降较大。     

枢轨接触面形貌对电枢起动特性的影响

在脉冲大电流直线驱动装置中,电枢和轨道的接触状态会改变电枢起动特性,而电枢起动过程将直接影响整个发射系统的效率和寿命,因此有必要对电枢起始阶段的滑动接触状态进行研究。搭建发射实验平台,通过高速相机观察电枢起动状态,并结合有限元软件ANSYS,对电枢的预紧力、初始接触状态以及电磁压力、电流密度进行仿真分析,研究电枢表面形貌对电枢起动的影响。结论表明:开槽电枢增加了电枢本身的柔顺性,使得预紧力增大,同时由于电流趋肤效应使得电流密度分布更加均匀,从而电磁压力增大,电枢起动变慢,接触电阻变小。实验和仿真结果对于改善电枢起动过程的接触状态,减轻烧蚀具有重要意义。     

飞秒激光诱导有机薄膜自组装微结构

通过改变辐照激光脉冲数、激光的平均功率、显微镜物镜倍数/数值孔径等研究微皇冠结构形成与加工条件的关系,并借鉴激光熔池形成和液滴溅射的模型对其进行理论分析。当激光脉冲数达到一定数量后,烧蚀区域会出现微皇冠结构。烧蚀区域尺寸的改变是由于形成的液体区域中热毛细作用和化学毛细作用共同所致;微皇冠结构溅射个数的改变是由于形成的气体因多光子吸收体积迅速膨胀所致。     

皮秒激光加工CVD单晶金刚石的特征和机理研究

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理,开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究。利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌,实验结果表明,金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹,微槽内部形成了周期约为255 nm和495 nm的纳米条纹。通过测量金刚石微槽宽度、深度、体积,得到了皮秒激光烧蚀金刚石的阈值、烧蚀速率和材料去除率。对金刚石微槽底部进行拉曼分析,发现皮秒激光加工金刚石是通过表面石墨化进行的,并且随着激光能量密度的增加,石墨峰出现了明显的红移。理论计算得到皮秒激光烧蚀金刚石的石墨层厚度约为88.7 nm。皮秒激光烧蚀金刚石温度场仿真结果表明,皮秒激光辐照能量主要分布在金刚石的表面,而通过热传导进入到金刚石内部的激光能量极少,因此皮秒激光加工金刚石的热影响区极小,导致其产生的石墨层厚度小于100 nm。     

Cu/La2NiO4电接触材料的制备及电弧烧蚀性能研究

解决铜基触点材料因易氧化而生成不导电物质导致触点失效的关键在于提高材料的导电性能,基于导电陶瓷La₂NiO₄因其具有导电性能,论文采用溶胶凝胶法制备获得了导电陶瓷La₂NiO₄粉体,用粉末冶金法制备出致密Cu/La₂NiO₄复合材料并进行微观形貌观察和物相分析。经过电弧烧蚀后,观察表面烧蚀形貌,探讨氧化层的微观组织,并进行温升测试。研究结果表明,电弧烧蚀后的Cu/La₂NiO₄复合材料表面有裂纹并且触点表面有多种侵蚀形貌特征并存,氧化层可能因接触力的作用而脱落以提高导电性能。本论文的研究工作表明,采用铜掺杂导电陶瓷La₂NiO₄的方法,可以有效提高电触点材料电弧烧蚀后的导电性。     

螺栓紧固型轨道发射器预紧力

轨道发射器通电轨道要承受很大的电磁扩张力,为了控制发射器口径形变,避免烧蚀,通常要在发射装置的封装层上施加预紧力。针对具体发射装置,运用三维耦合场对不同螺栓预紧力下的口径形变进行了计算,并进行了相关试验。试验结果表明,须将口径形变百分比控制在0.61%以内,方可实现无烧蚀发射。     

气动加热对高超声速飞行器激光毁伤效应影响

通过采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳-碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热/激光耦合作用下的热化学烧蚀。计算分析表明:激光单独作用下,碳-碳复合材料的烧蚀速率较小;随激光能量的增加,碳-碳复合材料的烧蚀速率增加;气动加热条件下激光对高超声速飞行器碳-碳复合材料的烧蚀毁伤效应会明显增强;沿弹道的气动加热累积效应对碳-碳复合材料气动热/激光耦合烧蚀作用不明显。     

电磁轨道炮滑动电接触的热效应

为了更准确地反映滑动电接触面的温升过程,建立了电磁轨道炮高速滑动条件下非理想电接触的计算模型,采用有限差分法,对接触电阻热效应进行了计算。计算结果表明:非理想电接触的表面温升明显高于理想接触,接触电阻层的厚度越大,电接触面的温升越快;由于速度趋肤效应的影响,接触电阻热的作用范围主要集中在接触面尾部区域;材料的热导率及输入电流的波形均对接触面温度峰值有重要的影响。研究结果为预测接触表面的材料状态,进而预测接触转捩的发生提供了理论依据。     

切向气流和激光作用下碳纤维/环氧材料的损伤特性

无气流和切向气流马赫数分别为0.50,0.85条件下,开展了碳纤维/环氧材料激光辐照损伤特性研究实验,对碳纤维、环氧树脂和复合材料热失重曲线、温度历史曲线以及实验后复合材料损伤形进行分析,结果表明:由于切向气流阻止材料燃烧且对材料表面起冷却作用,无气流条件下材料的热损伤区域远大于激光辐照区域,与切向气流条件相比,材料后表面温升时间长、温升幅值高;在切向气流环境下,由于气流作用使得材料的损伤包括烧蚀损伤和断裂损伤;从损伤形貌和后表面温度历史、温升速率比较来看,在切向气流马赫数为0.50~0.85的速度范围内,碳纤维/环氧材料在切向气流和连续激光(102 W/cm2量级)联合作用下的损伤差异不明显。     

强流脉冲下重复滑动电接触界面的电热特性

固体电枢电磁轨道发射中,膛内枢轨滑动电接触的电热特性关系到滑动界面的接触状态、电流传导品质和界面能量耗散,制约着系统效率和轨道寿命。设计开展了多组不同电流线密度的多发重复试验,通过采集电气试验数据进行迭代计算,得到了滑动接触电阻和界面焦耳热耗散功率的动态变化规律,分析了沉积物随重复发射的演变及电流线密度对电热特性的影响规律,并结合试验后轨道表面熔蚀沉积检测,讨论了滑动电接触界面的演变过程。结果表明:接触电阻稳定临界点和焦耳热耗散功率峰值点都出现在脉冲电流下降沿,接触电阻稳定值量级为10-2 mΩ,焦耳热功率峰值幅值可达10-1 MW;炮口速度随重复次数的增加而降低并趋于稳定,多次重复发射对滑动接触电阻和焦耳热功率较小的影响表明沉积物在发射中再次熔融并对电接触起积极作用;而即使输入能量一致,电流线密度的变化也显著影响了界面焦耳热的生成。     

水中脉冲放电金属电极烧蚀机理

采用板-板电极, 在放电间隙距离为2 mm、放电电流峰值为22 kA条件下, 对黄铜、钨铜电极的烧蚀特性进行了对比研究。利用高精度天平测量放电过程中的电极质量损失, 分别获取了阴极、阳极及总的平均烧蚀速率。通过放电后电极表面微观形貌、微观元素组成的分析及液体中金属离子的含量分析, 对水中脉冲放电金属电极的烧蚀机理进行了探讨。结果表明, 水中脉冲放电时, 钨铜电极的抗烧蚀性能明显高于黄铜电极。黄铜电极的主要烧蚀是以中心的大量孔洞及其边缘的波纹结构为表现形式的液体金属的溅射;钨铜电极的突出物及较平整的表面暗示了气相侵蚀的作用。以电弧的焦耳热效应为催化剂, 钨铜与水的电化学反应更为强烈, 因此电化学腐蚀是水中放电电极烧蚀的形式之一。     

高压烧结镀Cr、Ti膜金刚石/铜复合材料热导率研究

 采用磁控溅射方法,在金刚石表面镀覆活性金属Cr膜和Ti膜,在高温高压下合成了镀活性金属膜金刚石/铜复合材料。实验发现,活性金属的加入增强了金刚石与铜界面间的结合强度,减少了界面热阻,提高了复合材料的热导率。复合材料热导率随着金刚石体积分数的增加而降低,随着金刚石的粒度增大而提高。这主要是由界面热阻引起的,可以通过增大金刚石粒度和改善界面状态来提高复合材料热导率。     

碳纳米管/金刚石复合材料的场发射特性

采用微波烧结方法制备了碳纳米管/金刚石复合材料。将碳纳米管和纳米金刚石粉末混合后研磨压片,然后在微波等离子气相沉积系统中采用微波烧结。利用扫描电镜对复合材料的表面形貌和微观结构进行了分析,结果显示碳纳米管比较均匀地分散于复合材料中,并在表面形成了发射微尖。利用二极管结构在动态真空室中对复合材料的场发射特性进行了研究,复合材料有较好的场发射特性,电流密度接近15mA/cm2。     

大脉冲电流下钨铜电极水和空气中的烧蚀特性

针对水中、空气中脉冲放电条件下金属电极烧蚀速率及烧蚀机理差异,对脉冲大电流作用下水中、空气中钨铜电极的烧蚀特性进行了对比研究。在保证放电电流波形一致性的前提下,通过采用高精度天平测量并获取了水中、空气中钨铜电极的阴、阳极烧蚀速率及总烧蚀速率,并对电极表面进行了二次电子观察和背散射电子观察分析。结果表明,大脉冲电流作用下,水中钨铜电极烧蚀较空气中更为严重,钨铜电极的烧蚀主要是金属蒸发引起的汽相侵蚀。由于水介质较空气具有不可压缩性,水中放电电弧集中,电极表面电弧斑点处电流密度和电流作用时间较空气中更为严重,同时由于水中脉冲放电时发生的高温物理化学反应,是造成水中电极烧蚀要高于空气中的根本原因。     

碳/碳化硅复合材料静止环境下氧化行为模拟

碳/碳化硅（C/SiC）复合材料是应用于临近空间高超声速飞行器热防护的一种新型防热材料.国内外通过性能测试较多地研究了材料不同制备工艺对抗烧蚀性的影响,提出的抗烧蚀分析理论模型均基于液态氧化膜.而近期开展的C/SiC复合材料管式炉加热实验和试样微观形貌电镜表征显示:常压下,当温度低于1 696 K时,C/SiC复合材料氧化后表面形成了多孔的固态氧化膜.采用压汞法测试了氧化物孔隙.基于孔隙中的气体扩散行为,结合氧化反应动力学关系,建立了一种新的C/SiC复合材料惰性氧化模型.模型预测值与实验结果吻合良好,表明该惰性氧化模型对氧化膜厚度和质量损失具有较好的预测能力.      

电磁轨道发射器连续发射的滑动电接触

从滑动电接触电阻大小的角度,详细分析了在时序放电条件下,两颗重约为5 g的电枢,以速度为1 000 m/s,166 Hz连续发射试验。通过近似计算电流所流经轨道电阻及电枢体电阻所产生的温升,对滑动电接触电阻的影响。结果表明:连续发射运行模式下,受轨道表面温度上升的影响,第二发电枢的滑动接触电阻略高于第一发电枢的滑动接触电阻,表面滑动电接触性能受到温升的影响,在两连发的发射情况下,其影响虽不是很大,但多发高频连续发射就必须考虑热管理问题。      

Sliding electrical contact performance of electromagnetic launcher system in rapid fire mode

从滑动电接触电阻大小的角度,详细分析了在时序放电条件下,两颗重约为5 g的电枢,以速度为1 000 m/s,166 Hz连续发射试验.通过近似计算电流所流经轨道电阻及电枢体电阻所产生的温升,对滑动电接触电阻的影响.结果表明:连续发射运行模式下,受轨道表面温度上升的影响,第二发电枢的滑动接触电阻略高于第一发电枢的滑动接触电阻,表面滑动电接触性能受到温升的影响,在两连发的发射情况下,其影响虽不是很大,但多发高频连续发射就必须考虑热管理问题.     

基于SEM与FTIR研究改性钢渣/橡胶复合材料的热氧老化机理

钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物,其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。由于技术的局限,导致我国钢渣利用率较低,仅为年钢渣产量的10%,同时加之管理制度的不健全,导致钢渣大量露天堆放,对土地资源、地下水源,以及空气质量形成严重影响。面对上述问题,以热闷渣、电炉渣和风淬渣研发改性钢渣微粉,并且将改性钢渣微粉与复合橡胶进行复合制备改性钢渣/橡胶复合材料。依据《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》（GB/T3512—2014）对改性钢渣/橡胶复合材料进行热氧老化处理,采用平衡溶胀法测定改性钢渣/橡胶复合材料的交联密度,扫描电子显微镜（SEM）、热重分析仪（TGA）和傅里叶转换红外光谱仪（FTIR）分别测试其微观形貌、失重率和结构组成,从微观层面阐述改性钢渣/橡胶复合材料的热氧老化机理。结果表明在热氧老化前期老化作用在改性钢渣/橡胶复合材料表面,其内部以交联键形成反应为主;在热氧老化中期老化作用已经作用改性钢渣/橡胶复合材料内部,造成交联键断裂反应速度高于交联键形成反应速度,形成大量断裂交联键;在热氧老化后期由于改性钢渣/橡胶复合材料内部已经存在大量断裂交联键,导致主链及交联键断裂速度降低,交联键形成反应占优势。改性钢渣微粉以热闷渣（SiO₂含量高）为原材料,有利于形成聚合物大分子链贯穿炭黑网络的结构,提高综合性能,尤其是物理机械性与滞后性;以电炉渣、风淬渣（Fe₂O₃含量高）制备改性钢渣微粉,有利于热传导性能的改善,不仅提高改性钢渣/橡胶复合材料的耐热性,而且提高其硬度与脆性。热氧老化过程中改性钢渣/橡胶复合材料内部在橡胶分子链α-H上发生了不同程度的氧化反应,并在橡胶分子链周围生成了羟基、羧基和醇类化合物,双键烯氢含量降低。     

微型平面复合薄膜电爆炸开关的设计和研究（英文）

开关技术是影响爆炸箔起爆系统可靠作用、微型化、低能化、集成化的关键技术。电爆炸平面开关是利用强脉冲电流使触发极金属桥箔发生电爆炸,产生高温高压等离子体,使爆炸桥区两侧的电极导通。基于微加工技术,采用Al/CuO复合薄膜材料作为触发电极,设计制造了微型平面复合薄膜电爆炸开关。采用扫描电子显微镜、差示扫描量热法和光谱谱线测温研究了触发极Al/CuO复合薄膜的形貌、反应性和电爆炸等离子体温度,通过放电电流测试研究了开关性能。结果表明,在主回路电压2000V时,开关输出电流峰值约为1938A,上升时间390ns,性能优于仅以铜薄膜为触发电极的电爆炸平面开关。     

微型平面复合薄膜电爆炸开关的设计和研究

开关技术是影响爆炸箔起爆系统可靠作用、微型化、低能化、集成化的关键技术。电爆炸平面开关是利用强脉冲电流使触发极金属桥箔发生电爆炸,产生高温高压等离子体,使爆炸桥区两侧的电极导通。基于微加工技术,采用Al/CuO复合薄膜材料作为触发电极,设计制造了微型平面复合薄膜电爆炸开关。采用扫描电子显微镜、差示扫描量热法和光谱谱线测温研究了触发极Al/CuO复合薄膜的形貌、反应性和电爆炸等离子体温度,通过放电电流测试研究了开关性能。结果表明,在主回路电压2000 V时,开关输出电流峰值约为1938 A,上升时间390 ns,性能优于仅以铜薄膜为触发电极的电爆炸平面开关。