電磁軌道炮石墨烯涂層U型電樞的發(fā)射試驗(yàn)研究

杜傳通， 雷 彬， 呂慶敖， 邢彥昌， 張 倩

(軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

電磁軌道炮石墨烯涂層U型電樞的發(fā)射試驗(yàn)研究

杜傳通， 雷 彬， 呂慶敖， 邢彥昌， 張 倩

(軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊050003)

利用涂層制備裝置在普通U型電樞表面制備了石墨烯涂層，通過(guò)對(duì)普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞進(jìn)行了低速發(fā)射試驗(yàn)，分析了石墨烯涂層對(duì)電磁軌道炮放電電流、電樞速度及試驗(yàn)后電樞形貌等的影響。結(jié)果表明：與普通U型電樞相比，石墨烯涂層U型電樞的電樞速度可提高20%以上，且石墨烯涂層具有抗電弧燒蝕、減小樞軌間滑動(dòng)摩擦因數(shù)的作用。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)將石墨烯應(yīng)用于電磁軌道炮，提高其滑動(dòng)電接觸特性具有一定的指導(dǎo)意義。

電磁軌道炮； 石墨烯； 涂層；U型電樞； 發(fā)射試驗(yàn)

電磁軌道炮是一種利用高強(qiáng)電磁將彈丸加速至超高速的新概念動(dòng)能武器，與常規(guī)火炮相比，具有安全性高、噪聲污染小、初速可控、效費(fèi)比高及運(yùn)輸方便等優(yōu)勢(shì)[1]，是21世紀(jì)最有可能裝備的新型作戰(zhàn)武器。由于電磁軌道炮在發(fā)射彈丸過(guò)程中要承受高溫、高壓、電氣及摩擦沖擊力，容易產(chǎn)生材料軟化、高速刨削、電弧燒蝕和邊緣槽蝕等損傷，因此電磁軌道炮發(fā)射器壽命問(wèn)題已成為實(shí)現(xiàn)電磁軌道炮實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)。選用合適的電樞與軌道材料是提高發(fā)射效率及減少損傷的必要措施[2]，如：MATTHEW等[3]利用Ashby圖法對(duì)電樞與軌道材料進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定了一種滿足電磁軌道炮發(fā)射要求的最優(yōu)混合材料結(jié)構(gòu)，即以具有良好電導(dǎo)性的金屬作為基體，以耐磨損材料為表面層。

為研發(fā)出高強(qiáng)、高導(dǎo)的先進(jìn)涂層材料，國(guó)內(nèi)外研究者做了諸多努力。如：GREGORY等[4]采用等離子源離子注入(Plasma Source Ion Implantation,PSII)和濺鍍(Ion Beam Enhanced Deposition,IBED)技術(shù)，將TiN和TaN覆蓋在銅軌道和鋁電樞表面進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樞軌界面間摩擦磨損、燒蝕現(xiàn)象會(huì)明顯減少；SHVETSOV等[5]將柯普爾銅鎳合金涂層鍍覆在軌道表面進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該涂層能夠減輕電流“趨膚效應(yīng)”,提高彈丸速度。此外，NOVOSELOV等[6]采用機(jī)械剝離的方式首次制得了一種單層二維碳材料，該材料是目前最薄、最堅(jiān)硬的材料之一，具有強(qiáng)度、熔點(diǎn)和熱導(dǎo)率高及導(dǎo)電性優(yōu)異的特點(diǎn)，其電阻率僅為10-6Ω·cm，約為銅的1/100，是目前已發(fā)現(xiàn)的電阻率最低的材料，在電子器件、高強(qiáng)度材料、潤(rùn)滑材料和能源儲(chǔ)存等方面具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。因此，探索開展石墨烯涂層對(duì)電磁軌道炮發(fā)射性能影響的試驗(yàn)研究，對(duì)于改進(jìn)電磁軌道炮樞軌材料一定的指導(dǎo)意義。

基于此，筆者利用涂層制備裝置將石墨烯逐層涂覆在普通U型電樞的接觸表面，得到石墨烯涂層U型電樞，并與普通U型電樞相對(duì)比，在電磁軌道炮上進(jìn)行2組低速發(fā)射試驗(yàn)，研究了石墨烯涂層對(duì)電磁軌道炮低速段發(fā)射性能的影響。

1 理論分析

研究電磁軌道炮的目的是制造出能連續(xù)發(fā)射幾百或幾千發(fā)電樞的高動(dòng)能武器。然而，樞軌界面的焦耳熱、摩擦熱等常引起電樞或軌道損傷，這極大地縮短了發(fā)射器壽命。根據(jù)電接觸理論，電樞和軌道相接觸時(shí)，只有少數(shù)點(diǎn)(小面)產(chǎn)生了實(shí)際接觸，極易產(chǎn)生電流I的收縮效應(yīng)，如圖1所示[7]。

圖1 實(shí)際接觸面電流收縮效應(yīng)示意圖

為探究接觸狀況對(duì)樞軌界面溫度的影響，設(shè)樞軌接觸壓力為F，電樞強(qiáng)度為σ，則總接觸面積A為

(1)

假設(shè)N個(gè)接觸點(diǎn)為圓形且大小相等，則接觸點(diǎn)半徑a為

(2)

單個(gè)接觸點(diǎn)的收縮電阻Rs為

(3)

式中：ρ1、ρ2分別為電樞和軌道的電阻率。因此，單個(gè)接觸點(diǎn)處的電壓降V為

(4)

由式(4)可以看出：接觸點(diǎn)處的電壓降與導(dǎo)電接觸點(diǎn)數(shù)目的平方根成反比。也就是說(shuō)，為減小樞軌界面間產(chǎn)熱率，接觸點(diǎn)要盡可能多。為此，可選用合適的界面材料填補(bǔ)樞軌界面間的微觀空隙和凹凸的孔洞，以增多接觸點(diǎn)數(shù)，從而降低接觸面處的電壓降和產(chǎn)熱率。同時(shí)，樞軌界面的接觸電阻越小，發(fā)射效率越高[8]。因此，界面填充材料的導(dǎo)電性越高越好。

石墨烯是碳原子以sp2雜化方式鍵合的單層二維碳結(jié)構(gòu)，厚度約為0.34 nm，屬于納米結(jié)構(gòu)材料，其電學(xué)、熱學(xué)及力學(xué)方面的性能優(yōu)異。與其他傳統(tǒng)填充材料相比，石墨烯具有強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能優(yōu)和熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，因此更適合作為樞軌界面間的填充材料。同時(shí)，石墨烯具有優(yōu)良的熱導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性，能更好地減小樞軌界面的溫升速率，減緩因溫度過(guò)高而導(dǎo)致的材料熔融甚至汽化現(xiàn)象，避免燒蝕，最終可保證電樞在發(fā)射過(guò)程中的穩(wěn)定性。

同時(shí)，由于石墨烯具有良好的機(jī)械性能和較小的層間剪切力，使得其比其他碳材料表現(xiàn)出更低的摩擦因數(shù)。WASHIZU等[9]采用粗晶模擬的方式發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)螌邮┮蚓哂叙?滑特征，與多層石墨烯相比其會(huì)表現(xiàn)出較高的摩擦力，且穩(wěn)定性較差。朱齊榮等[10]對(duì)石墨烯的摩擦與磨損性質(zhì)研究后發(fā)現(xiàn)：石墨烯的摩擦力會(huì)隨著層數(shù)的增加而減小，且摩擦因數(shù)也隨之降低，石墨烯層與層之間的范德華力就會(huì)相應(yīng)減弱。因此，樞軌界面間的多層石墨烯也可作為一種潤(rùn)滑劑，顯著降低滑動(dòng)摩擦力和摩擦因數(shù)，在放電電流相同的情況下，提高電樞發(fā)射速度。

2 試驗(yàn)部分

2.1石墨烯涂層U型電樞的制備

2.1.1 石墨烯分散液的制備

首先，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的石墨烯復(fù)合導(dǎo)電劑(層數(shù)6～10層，片層尺寸為5～15 μm，片層平均厚度為3 nm)20 mg溶于40 mL無(wú)水乙醇中，并加入少量表面活性劑，初步制備石墨烯溶液;然后,采用KB-500DB型超聲波清洗器(轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，頻率為50 Hz)超聲分散9 h，每隔30 min攪拌一次;同時(shí)，為使分散效果更佳，每隔2 h更換一次清洗槽中的水，并保持前后水位相同，最終獲得石墨烯分散液。

2.1.2 石墨烯涂層制備裝置及工藝參數(shù)

U型電樞本體材料為6061鋁合金，具有較好的抗拉強(qiáng)度。為了獲得良好的初始接觸預(yù)緊力，設(shè)計(jì)U型電樞接觸臂尾端徑向尺寸為21.4 mm。石墨烯涂層制備前，先用丙酮清洗U型電樞，以去除油污、粉塵和氧化膜，使其表面清潔。

圖2為石墨烯涂層制備裝置，其涂層制備工藝參數(shù)如表1所示。石墨烯涂層的制備主要利用靜電噴涂原理：在高電壓作用下，噴頭與接地的被噴涂件之間形成靜電場(chǎng)，石墨烯分散液在靜電場(chǎng)的高壓作用下噴向電樞表面，隨著溶劑的揮發(fā)，石墨烯顆粒沉積在電樞表面形成均勻的涂層。

圖2 石墨烯涂層制備裝置

表1 涂層制備工藝參數(shù)表

試驗(yàn)制備的石墨烯涂層尺寸約100 μm，厚度忽略不計(jì)。普通U型電樞與石墨烯涂層U型電樞實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 電樞實(shí)物圖

2.2發(fā)射試驗(yàn)

2.2.1 電源系統(tǒng)

試驗(yàn)采用了文獻(xiàn)[11]所述的5組電源模塊，其中：為提供低速發(fā)射條件，每發(fā)電樞電容器充電電壓均設(shè)置為5 kV，放電時(shí)序參數(shù)為(0，0，0，500，800) μs。

2.2.2 發(fā)射器與電樞

試驗(yàn)采用方口徑的電磁軌道發(fā)射器，口徑為20 mm×20 mm，有效長(zhǎng)度為1 000 mm，采用玻璃纖維環(huán)氧體以上下壓緊方式對(duì)兩側(cè)導(dǎo)軌進(jìn)行定位和預(yù)緊。軌道為10 mm×40 mm矩形H62黃銅材料，電阻率為7.1×10-8Ω·m。根據(jù)克里斯克(Kerrisk)電感梯度計(jì)算公式可得：矩形軌道電感梯度為0.347 μH/m。

為控制單一變量，在2組新軌道上分別對(duì)普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞進(jìn)行6發(fā)低速度連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)，每發(fā)電樞的初始位置均距炮口90 cm。

2.2.3 測(cè)量裝置

電磁軌道炮發(fā)射試驗(yàn)主要測(cè)量了放電電流、電樞速度等參數(shù)。各脈沖電源模塊的電流由其內(nèi)部獨(dú)立的羅果夫斯基(Rogowski)線圈測(cè)得，通過(guò)同步采集可獲得各模塊合成后的放電電流。采用自制的B-dot磁探針測(cè)量電樞速度，其B-dot磁探針主要由一個(gè)感應(yīng)環(huán)線圈組成，利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)感應(yīng)流過(guò)電樞的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化得到感應(yīng)電壓信號(hào)，進(jìn)而推算出相鄰B-dot磁探針間的平均電樞速度。

B-dot磁探針安裝在試驗(yàn)裝置的側(cè)面，與電樞的中心點(diǎn)處于同一平面且到兩軌道距離相等，如圖4所示。由于感應(yīng)線圈的法線與軌道電流方向平行，因此線圈上的感應(yīng)電壓只能由電樞電流產(chǎn)生[12]。

采用分布式安裝了4個(gè)B-dot磁探針，距炮口距離分別為10、20、30、40 mm，其編號(hào)如圖5所示。

圖4 B-dot磁探針安裝位置示意圖

圖5 B-dot磁探針安裝分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1電樞速度

以第6發(fā)低速度連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)為典型進(jìn)行分析。圖6為發(fā)射第6發(fā)不同電樞時(shí)的放電電流波形。

圖6 發(fā)射第6發(fā)不同電樞時(shí)放電電流波形

由于電樞出膛瞬間電樞與軌道界面的固-固接觸變?yōu)殡娀〗佑|，使得軌道間的阻抗載荷會(huì)發(fā)生突變，導(dǎo)致放電電流波形出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通常以該轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為電樞出膛時(shí)刻。由圖6可以看出：不同電樞放電電流波形的上升沿基本一致，而下降沿轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的時(shí)刻差別較大，其普通U型電樞的出膛時(shí)刻約為5.7 ms，石墨烯涂層U型電樞的出膛時(shí)刻為4.8 ms，與前者相比縮短了0.9 ms，這說(shuō)明在發(fā)射距離相等時(shí)，石墨烯涂層U型電樞能達(dá)到的平均速度更大。

電樞通過(guò)B-dot磁探針正下方時(shí)會(huì)導(dǎo)致線圈上的感應(yīng)電壓信號(hào)發(fā)生正負(fù)變化，以零電壓時(shí)刻表示電樞滑過(guò)該B-dot磁探針的位置。圖7為發(fā)射第6發(fā)不同電樞時(shí)B-dot磁探針的感應(yīng)電壓波形。可以看出：發(fā)射第6發(fā)普通U型電樞時(shí)B-dot磁探針在3.55 ms開始產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)，而石墨烯涂層U型電樞則在3.15 ms產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)，比前者提前了約0.4 ms，也說(shuō)明石墨烯涂層U型電樞能達(dá)到更高的發(fā)射速度。

圖7 發(fā)射第6發(fā)不同電樞時(shí)B-dot磁探針感應(yīng)電壓波形

根據(jù)圖7中相鄰零電壓時(shí)刻，可得到通過(guò)相鄰B-dot磁探針的時(shí)間差。分別以距炮口15、25、35 cm位置處的電樞速度v1、v2、v3和v1′、v2′、v3′表示發(fā)射普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞時(shí)相鄰B-dot磁探針間的平均速度，其變化曲線如圖8所示?？梢钥闯觯涸诿拷M連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)中，同一位置處電樞的平均速度均隨發(fā)射次數(shù)的增加而增大，且幅度逐步減小，表明接觸界面間的實(shí)際接觸狀態(tài)逐步穩(wěn)定；當(dāng)發(fā)射次數(shù)相同時(shí)，相同位置處的電樞速度具有明顯差異，其中第6發(fā)普通U型電樞在距炮口15 cm處的電樞平均速度約為240 m/s，而石墨烯涂層U型電樞的平均速度約為295 m/s，比前者提高了20%以上。

圖8 不同位置處電樞平均速度變化曲線

3.2電樞接觸界面特性

為比較發(fā)射不同電樞時(shí)接觸界面的變化，對(duì)普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞進(jìn)行了回收。圖9為發(fā)射后的第6發(fā)普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞的接觸界面形貌?？梢钥闯觯号c普通U型電樞相比，石墨烯涂層U型電樞的表面燒蝕程度較小，且以熔融為主，說(shuō)明石墨烯涂層起到了抗電弧燒蝕的作用，能更好地保持電樞與軌道界面間穩(wěn)定的滑動(dòng)電接觸狀態(tài)。結(jié)合電樞平均速度分析可知：石墨烯涂層具有較好的電傳導(dǎo)和潤(rùn)滑作用，在保證良好電傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上，可減小樞軌間滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

圖9 發(fā)射后不同電樞接觸界面形貌

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞的低速發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，可得到如下結(jié)論：

1)在相同發(fā)射條件下，石墨烯涂層U型電樞比普通U型電樞能達(dá)到更高的平均速度，可提高20%以上，這說(shuō)明石墨烯涂層對(duì)提高電磁軌道炮發(fā)射效率具有顯著作用；

2)根據(jù)對(duì)電樞接觸界面形貌的分析，石墨烯涂層具有較好的抗電弧燒蝕作用，可作為良好的界面導(dǎo)電填料改善樞軌界面的接觸狀態(tài)；

3)石墨烯涂層可滿足樞軌界面間的導(dǎo)電要求，且具有一定的潤(rùn)滑作用。

由于電磁軌道炮發(fā)射環(huán)境復(fù)雜，石墨烯涂層作用的機(jī)理還需從滑動(dòng)電接觸電阻和滑動(dòng)摩擦力等方面進(jìn)行深入研究。

[1] 李軍，嚴(yán)萍，袁偉群. 電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù),2014,40(4):1052-1064.

[2] SCHNEIDER M,WOETZEL M,WENNING W,et al.The ISL rapid fire railgun project RAFIRE partⅠ:technical aspects and design considerations[J].IEEE transactions on magnetics,2009,45(1):442-447.

[3] MATTHEW J S,RICHARD W N.Materials selection exercise for electromagnetic launcher rails[J].IEEE transactions on magne-tics,2013,49(8):4831-4838.

[4] GREGORY R C,MONDE O,MATTHEW P,et al.Application of coating for electromagnetic gun technology[J].IEEE transactions on magnetics,1995,31(1):704-708.

[5] SHVETSOV G A,STANKEVICH S V.Problem of materials for railguns[C]∥Proceedings of 15thInternational Pulsed Power Conference.Monterey:CA,2005:104-107.

[6] NOVOSELOV K,GEIM A,MOROZOV S.Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science,2004,306(5696):666.

[7] 許梁軍，蘆娜，林雪燕，等譯.電接觸理論、理論應(yīng)用與技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010:2-7.

[8] 李鶴，雷彬，李治源，等.電磁軌道炮試驗(yàn)過(guò)程中樞軌界面的接觸電阻特性[J].高電壓技術(shù),2013,39(4):911-915.

[9] WASHIZU H,KAJITA S,TOHYAMA M,et al.Mechanism of ultra low friction of multilayer graphene studied by coarse-grained molecular simulation[J].Faraday discussions,2012,156:279-291.

[10] 朱齊榮，李慧琴，李寧，等.石墨烯的納米摩擦與磨損性質(zhì)[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2013,29(7):1582-1587.

[11] 朱仁貴，張倩，李治源，等.高功率脈沖電流作用下滑動(dòng)界面初始熔蝕的試驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù),2015,41(6):1879-1884.

[12] 曹昭君，何俊佳，王子建，等.電磁發(fā)射中固體電樞的磁探針測(cè)速方法研究[J].高電壓技術(shù),2006,32(6):56-59.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

LaunchExperimentontheU-shapedArmaturesCoatedwithGrapheneinElectromagneticRailgun

DU Chuan-tong, LEI Bin, Lü Qing-ao, XING Yan-chang, ZHANG Qian

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003, China)

Graphene coating on the surface of ordinary U-shaped armature is prepared using preparation coating device. Besides, the armatures coated with & without graphene are launched comparatively with low velocity. In addition, discharging current, armature velocity and the appearance of recovered armatures are analyzed. The results show that the velocity of the armatures coated with graphene is higher more than20% compared with the armatures coated without graphene, and the graphene has the ability to depress the arc and decrease the friction coefficient between armature and orbit. The results have guiding significance to apply graphene to enhance the sliding electrical contact characteristics of electromagnetic railgun to some extent.

electromagnetic railgun; graphene; coating; U-shaped armature; launch experiment

1672-1497(2017)04-0056-05

2017-04-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407195)

杜傳通(1992-)，男，碩士研究生。

TJ866

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2017.04.011