趙偉康， 徐 蓉， 袁偉群， 嚴(yán) 萍

(1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3. 中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)

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電磁軌道發(fā)射裝置絕緣問題的研究進(jìn)展

趙偉康1,2,3， 徐 蓉1,3， 袁偉群1,3， 嚴(yán) 萍1,3

(1. 中國(guó)科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3. 中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)

電磁軌道發(fā)射裝置中，絕緣部件承擔(dān)著電氣絕緣和支撐固定的作用，在重復(fù)發(fā)射實(shí)驗(yàn)中絕緣部件的破壞現(xiàn)象頻發(fā)。在高重復(fù)頻率連續(xù)發(fā)射時(shí)，絕緣性能的變化將直接影響發(fā)射系統(tǒng)的效率和壽命，是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本文通過回顧電磁軌道發(fā)射裝置中絕緣問題的研究歷程，介紹了絕緣研究現(xiàn)狀和存在的問題，討論了電磁發(fā)射中絕緣破壞的主要因素和影響，對(duì)其產(chǎn)生規(guī)律和失效機(jī)制進(jìn)行了分析，并介紹了相關(guān)問題的改善方法。最后，歸納得到絕緣材料的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并展望了電磁軌道發(fā)射裝置中絕緣問題的研究趨勢(shì)。

電磁發(fā)射； 絕緣支撐結(jié)構(gòu)； 金屬沉積； 燒蝕； 失效機(jī)制

1 引言

電磁軌道發(fā)射裝置是一種能將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并將物體加速至超高速度的新型發(fā)射裝置，在國(guó)防領(lǐng)域和高速碰撞力學(xué)研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。軌道兩側(cè)和上部的絕緣部件是電磁軌道發(fā)射裝置中的重要組成部分，如圖1所示，它起著電氣絕緣和支撐固定的作用。但是重復(fù)發(fā)射過程中絕緣部件會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷，需要頻繁更換，成為限制重復(fù)發(fā)射安全性和裝置壽命的關(guān)鍵因素。由于電磁發(fā)射過程中膛內(nèi)情況非常復(fù)雜，影響絕緣部件性能的因素較多，雖然各國(guó)科研人員從材料和失效機(jī)制兩方面都做了一定工作[3,4]，但是對(duì)其失效規(guī)律和機(jī)理了解得不夠深入，這使得電磁軌道發(fā)射裝置中的絕緣問題一直未能得到有效解決，制約了電磁發(fā)射技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。本文介紹了電磁軌道發(fā)射裝置中絕緣部件出現(xiàn)的主要問題以及相關(guān)研究進(jìn)展，總結(jié)了絕緣材料的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并展望了電磁軌道發(fā)射裝置中絕緣失效研究的趨勢(shì)。

圖1 典型軌道發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of railgun launcher

2 絕緣問題的研究歷史和現(xiàn)狀

早期電磁軌道發(fā)射研究多為小能量單發(fā)試驗(yàn)，軌道之間絕緣部件受到的損傷較輕，這一階段有關(guān)絕緣方面的研究較少。但是隨著試驗(yàn)?zāi)芰康脑黾右约爸貜?fù)發(fā)射試驗(yàn)的開展，暴露出的絕緣問題也越來越多，嚴(yán)重影響了發(fā)射裝置的穩(wěn)定性和安全性。從20世紀(jì)80年代起，國(guó)外有關(guān)電磁發(fā)射絕緣問題的研究工作開始增多。

20世紀(jì)80年代和90年代初期，在電磁發(fā)射裝置研究中主要使用等離子體電樞和混合電樞，絕緣材料所面臨的最大問題是電弧燒蝕，所以這一時(shí)期的研究重點(diǎn)以尋找和發(fā)展耐高溫材料為主[3,4]。

1984年，G. A. Clark和A. G. Bedford使用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂作為絕緣材料，在多次發(fā)射試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)絕緣部件表面存在大量裂紋[5]。1986年，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories)的R. B. Olsen等人設(shè)計(jì)了絕緣材料試驗(yàn)用等離子體電樞軌道發(fā)射平臺(tái)，在相同試驗(yàn)條件下測(cè)試了環(huán)氧樹脂G10、聚硅氧烷樹脂G7、聚醚酰亞胺樹脂、聚碳酸酯和三聚氰胺樹脂G9/G5六種材料，發(fā)現(xiàn)兩種三聚氰胺樹脂的耐燒蝕性能明顯優(yōu)于其他材料[6]。

S. N. Rosenwasser和R. D. Stevenson通過小口徑等離子體電樞軌道發(fā)射裝置對(duì)有機(jī)高分子聚合物、纖維增強(qiáng)聚合物、無(wú)機(jī)玻璃復(fù)合物、工藝陶瓷、先進(jìn)陶瓷等15種材料的消融、熔化、侵蝕、熱沖擊破裂性和電特性進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果排除了未增韌有機(jī)聚合物、無(wú)機(jī)玻璃復(fù)合物和工藝陶瓷三類材料用作電磁發(fā)射絕緣材料的可能性[7]。

J. V. Parker指出對(duì)于等離子體電樞軌道發(fā)射裝置，在絕緣材料的選擇上不能過于追求材料的耐高溫性能，一些像Lexan的低分子質(zhì)量、低蒸發(fā)熱的絕緣材料在實(shí)際發(fā)射裝置中表現(xiàn)更好[8]。1991年，S. N. Rosenwasser在對(duì)先進(jìn)陶瓷材料進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，復(fù)相和晶須增韌Al2O3和Si3N4基體陶瓷在試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異，是發(fā)射裝置較為理想的絕緣材料[9]。1993年，Y. C. Thio等人在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射過程中，電樞和絕緣部件交界處的空氣不僅會(huì)對(duì)絕緣部件施加軸向壓力，還會(huì)使其徑向向內(nèi)收縮，從而會(huì)在其內(nèi)部形成剪切力[10]。1995年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室在可控試驗(yàn)條件下利用等離子體電樞軌道發(fā)射裝置測(cè)試了四種不同絕緣材料的壽命，并用發(fā)射裝置徑向形變和質(zhì)量損失作為衡量絕緣材料壽命的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)絕緣材料最薄弱的地方為軌道和絕緣部件的接觸位置[11]。

在對(duì)等離子體電樞軌道發(fā)射裝置進(jìn)行大量試驗(yàn)探索后，研究人員得出純等離子體電樞應(yīng)用前景有限的結(jié)論，J. V. Parker等人闡述了等離子體電樞的失效機(jī)制，研究重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向固體電樞發(fā)射裝置[8]。

1991年，R. J. Hayes等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一旦層壓樹脂材料各層之間結(jié)合得不夠緊密，最外層(靠近膛內(nèi))材料就會(huì)受到?jīng)_擊力和剪切力而剝落，剝落處又會(huì)成為絕緣部件表面的“弱點(diǎn)”，在隨后的發(fā)射過程中不斷擴(kuò)大[12]。1997年，S. C. Kerwien在對(duì)AD-96陶瓷絕緣材料的試驗(yàn)研究中通過觀察陶瓷斷裂處形態(tài)并結(jié)合發(fā)射裝置身管設(shè)計(jì)，推測(cè)絕緣部件和軌道相接觸的地方是發(fā)射過程中的斷裂源，并在材料表面的裂紋內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了熔融鋁的存在，這表明裂紋是在發(fā)射過程中產(chǎn)生的[13]。G. A. Shvetsov等人利用有限元軟件計(jì)算了發(fā)射裝置中絕緣部件的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的固有頻率會(huì)對(duì)發(fā)射過程中絕緣部件的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響[14]。

A. Zielinski等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電樞和軌道接觸位置發(fā)生的熔融鋁噴射是內(nèi)膛絕緣材料受到金屬污染和基體損傷的主要形式之一，并且通過在電樞尾翼側(cè)面制作不同形狀的凹槽改變了熔融噴射的初始位置，最后結(jié)合試驗(yàn)和仿真結(jié)果得出熔融噴射和電樞前端峰值電流密度相關(guān)的結(jié)論[15]。P. Lehmann等人在分析發(fā)射裝置身管材料時(shí)指出陶瓷表面金屬易沉積有兩個(gè)原因：陶瓷導(dǎo)熱性能好和表面比較粗糙[16]。2011年，K. M. Chakravarthy等人用透明聚碳酸酯材料對(duì)一個(gè)電磁發(fā)射裝置進(jìn)行改造，利用高速攝像機(jī)拍攝了整個(gè)發(fā)射過程，發(fā)現(xiàn)從電樞起始位置開始便有金屬蒸汽和液滴產(chǎn)生，當(dāng)發(fā)生微轉(zhuǎn)捩和轉(zhuǎn)捩時(shí)產(chǎn)生量會(huì)急劇增加，并伴有等離子體電弧產(chǎn)生的亮光，如圖2所示[17]。

圖2 發(fā)射過程膛內(nèi)狀況Fig.2 Images of bore condition

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院電工研究所也開展了固體電樞電磁發(fā)射裝置絕緣失效機(jī)理的相關(guān)研究工作。李丹等人通過仿真分析了軌道焦耳熱及電磁力對(duì)絕緣部件的影響，發(fā)現(xiàn)軌道所產(chǎn)生的熱效應(yīng)和沖擊力對(duì)絕緣支撐結(jié)構(gòu)的影響較小[18]。在重復(fù)發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，通過SEM與EDS比對(duì)絕緣部件不同位置處金屬沉積的微觀形貌和能譜，發(fā)現(xiàn)沿身管方向不同區(qū)域的金屬沉積物晶粒尺寸各不相同，推測(cè)與膛內(nèi)各區(qū)域的溫度差異相關(guān)。宏觀上絕緣部件表面的金屬污染和燒蝕損傷分布具有一定規(guī)律，身管尾部(電樞起始位置)燒蝕損傷比較嚴(yán)重，金屬沉積量最少；身管中部燒蝕損傷最輕，金屬沉積量最多；膛口區(qū)域燒蝕損傷最嚴(yán)重，金屬沉積量較少[19]。這種規(guī)律性的損傷分布可以為絕緣支撐部件的選擇和設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

雖然固體電樞的使用在很大程度上減輕了等離子體電樞所帶來的電弧燒蝕和熱沖擊損傷，但并未從根本上消除這些問題，而且還帶來了金屬污染這一新的絕緣問題。膛內(nèi)絕緣部件表面會(huì)在發(fā)射過程中粘附大量金屬液滴和蒸汽(如圖3所示)，造成絕緣性能嚴(yán)重下降，進(jìn)而影響系統(tǒng)的發(fā)射效率和安全性。金屬污染也成為固體電樞軌道發(fā)射裝置絕緣設(shè)計(jì)中亟需解決的關(guān)鍵問題。

圖3 G-10絕緣部件表面金屬沉積形貌Fig.3 Metal deposition morphology of G-10 surface

3 主要絕緣問題及其相關(guān)機(jī)制

目前電磁軌道發(fā)射裝置中的絕緣部件主要采用纖維增強(qiáng)熱固性樹脂和先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料，包括玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂G-10、玻璃纖維增強(qiáng)三聚氰胺樹脂G-9、高純度Al2O3陶瓷以及纖維增韌Si3N4陶瓷等。其中G-10因其價(jià)格便宜、容易加工的特點(diǎn)非常適合實(shí)驗(yàn)研究使用，尤其是小口徑、低能量軌道發(fā)射裝置中主要使用G-10作為絕緣材料。相較于樹脂材料，陶瓷的耐高溫性能比較優(yōu)異，可以很大程度上減輕燒蝕損傷，但是由于陶瓷為脆性材料，抗斷裂能力較差，使得其在發(fā)射過程中容易發(fā)生斷裂，無(wú)法保證絕緣部件的完整性。經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)積累發(fā)現(xiàn)，可以將絕緣部件面臨的主要問題歸納為三個(gè)方面：燒蝕損傷、金屬污染以及裂紋、斷裂和剝落損傷。

3.1 燒蝕損傷

燒蝕損傷主要是指絕緣部件表面發(fā)生碳化和消融破壞，造成介電性能下降并破壞絕緣部件表面平整性。

對(duì)于等離子體電樞軌道發(fā)射裝置，高溫導(dǎo)致的樹脂基體燒蝕是聚合物絕緣材料破壞的主要原因，即使耐高溫性能非常好的陶瓷材料也無(wú)法避免燒蝕損傷。并且經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)電樞起始位置處的絕緣部件表面受到的燒蝕損傷最嚴(yán)重，多次發(fā)射后便需要更換新的絕緣部件，極大地縮短了發(fā)射系統(tǒng)的整體壽命。

1986年，R. F. Askew等人首次提出使用絕緣材料質(zhì)量損失來描述燒蝕損傷狀況，并且通過試驗(yàn)測(cè)得Lexan的值為16.25g/MJ[20]。S. N. Rosenwasserh和J. V. Parker等人通過多次試驗(yàn)計(jì)算出多種材料的燒蝕閾值(如表1所示)，可以作為選擇材料的一定依據(jù)[7,8]。K. B. Nornoo等人在進(jìn)行絕緣部件燒蝕測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)可以通過自由電弧速度的變化來確定絕緣材料的燒蝕閾值和燒蝕速率。在進(jìn)一步的試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)一些耐高溫性能差的材料在發(fā)射過程中受到的燒蝕損傷反而較輕[21]。Dennis Keefer等人在輻射傳輸模型上利用光譜分析法對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了一定分析研究，指出等離子體電樞對(duì)側(cè)壁絕緣材料燒蝕產(chǎn)生的脫離產(chǎn)物會(huì)在絕緣部件表面形成一個(gè)低溫層，這個(gè)低溫層可以減少絕緣部件表面所受到的熱輻射，從而減輕絕緣部件表面的燒蝕損傷[22]。在此之后有部分研究人員嘗試使用分子質(zhì)量小、蒸發(fā)熱低的材料作為絕緣部件，并取得了比較好的效果[23]。

對(duì)于固體電樞軌道發(fā)射裝置，雖然膛內(nèi)溫度(<1000K)遠(yuǎn)小于等離子體電樞軌道發(fā)射裝置，但仍高于常用聚合物材料的短時(shí)耐受溫度，并且發(fā)射過程中電樞發(fā)生轉(zhuǎn)捩時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫等離子體，這都會(huì)對(duì)絕緣材料表面造成燒蝕損傷。通過比對(duì)多次發(fā)射試驗(yàn)后絕緣部件表面損傷狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)樹脂基體表面的消融破壞是逐層分步進(jìn)行的[24]，也即在上一層樹脂(靠近發(fā)射裝置內(nèi)膛)完全破壞之前，下一層樹脂不會(huì)破壞，這也和樹脂的自身結(jié)構(gòu)(多層疊壓)相關(guān)。一些研究人員利用此規(guī)律通過在樹脂表面(靠近內(nèi)膛側(cè))噴涂耐高溫性能好的陶瓷粉末減輕樹脂材料所受到的燒蝕損傷，在發(fā)射實(shí)驗(yàn)中取得了比較好的效果[25]。

表1 常用材料燒蝕閾值Tab.1 Ablation thresholds of common materials

由于發(fā)射過程中膛內(nèi)溫度分布不均勻，使得燒蝕損傷沿發(fā)射裝置身管分布具有一定差異性，電樞起始位置絕緣材料表面受到的損傷最嚴(yán)重。圖4為同一軌道發(fā)射裝置30次發(fā)射試驗(yàn)后絕緣部件(G-10)不同位置表面燒蝕損傷狀況[19]，從上到下依次為電樞起始位置、身管中部和電樞出膛位置絕緣材料燒蝕損傷狀況?？梢钥闯?，電樞出膛位置絕緣材料表面的損傷程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于身管中部和電樞起始位置，并且電樞出膛位置絕緣部件表面還存在樹脂基體消融現(xiàn)象，從試驗(yàn)過程在電樞出膛位置所觀察到的亮光推測(cè)可能是電樞出膛時(shí)其尾部產(chǎn)生的高溫等離子體電弧造成的。

圖4 絕緣部件不同位置燒蝕損傷狀況Fig.4 Ablation damage of different locations on insulations

3.2 金屬污染

金屬污染是指發(fā)射過程中電樞在軌道上高速滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱和脈沖電流產(chǎn)生的焦耳熱使部分電樞熔融或汽化產(chǎn)生金屬液滴和蒸汽粘附在絕緣材料表面的現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重降低材料表面的絕緣性能。

對(duì)于等離子體電樞軌道發(fā)射裝置，并沒有明顯的金屬污染現(xiàn)象，只在部分文獻(xiàn)中提及通過顯微鏡觀察到絕緣部件表面有少許銅沉積，這是由軌道在高溫電弧經(jīng)過時(shí)熔融或汽化產(chǎn)生銅液滴和蒸汽沉積在絕緣材料表面形成的。

對(duì)于固體電樞軌道發(fā)射裝置，由于鋁在載流能力和加工設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)使得其成為固體電樞的主要材質(zhì)。但是鋁的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較低，在電樞熱量集中部位會(huì)發(fā)生熔融和汽化，產(chǎn)生的部分鋁液滴和鋁蒸汽會(huì)附著在絕緣部件表面。通過觀察電樞表面融化狀況和絕緣部件表面金屬的分布狀況，推測(cè)金屬液滴和蒸汽主要產(chǎn)生于電樞和軌道的接觸位置。并且當(dāng)接觸位置的熔融鋁在發(fā)射過程中受到巨大的擠壓力時(shí)，還會(huì)發(fā)生噴射現(xiàn)象[26]。這一現(xiàn)象也可通過觀察軌道表面鋁沉積形貌得以證實(shí)，如圖5所示，軌道表面沉積鋁有明顯噴射痕跡。高速(>300m/s)噴射的熔融鋁會(huì)對(duì)絕緣部件表面造成嚴(yán)重的沖刷損傷，侵蝕材料基體，降低絕緣部件的機(jī)械性能。當(dāng)絕緣部件表面金屬沉積到一定量時(shí)就可能成為導(dǎo)體，使兩側(cè)軌道短路，失去絕緣功能。

圖5 軌道表面鋁沉積形貌Fig.5 Aluminum deposition morphology on rails

R. A. Marshall等人在進(jìn)行準(zhǔn)流體電樞(固體電樞的一種)試驗(yàn)時(shí)觀察到有熔融鋁從軌道發(fā)射裝置頂部觀察窗的孔中噴出[1]。2011年，D. A. Wetz等人使用同一方法，利用高速攝像機(jī)成功觀測(cè)到熔融鋁噴射的過程，如圖6所示。并計(jì)算出噴射速度，經(jīng)過分析得到影響熔融鋁噴射的三個(gè)主要因素：電樞與軌道接觸面的擠壓力、磁動(dòng)力以及流體的不穩(wěn)定性。根據(jù)IAT(Institute for Advanced Technology)的相關(guān)研究，只在矩形孔徑軌道發(fā)射裝置中發(fā)現(xiàn)了熔融鋁噴射現(xiàn)象，還未在圓形孔徑軌道發(fā)射裝置中發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象[26]。由于電樞的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)超聲速，且整個(gè)發(fā)射裝置處于強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬蒸汽和液滴的運(yùn)動(dòng)過程比較復(fù)雜，相關(guān)仿真工作也難以進(jìn)行，直到目前還未有合適的理論可以解釋這種差異形成的原因。

圖6 熔融鋁噴射過程Fig.6 Injection process of molten aluminum

3.3 裂紋、斷裂和剝落損傷

電磁發(fā)射過程中電樞相對(duì)軌道的運(yùn)動(dòng)速度非?？欤梢赃_(dá)到幾千米每秒，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生巨大的機(jī)械沖擊力，絕緣部件和軌道以及身管之間會(huì)相互擠壓、碰撞，這會(huì)在絕緣部件上產(chǎn)生一個(gè)軸向的彎曲應(yīng)力，當(dāng)局部應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋或斷裂。除此之外，發(fā)射前后膛內(nèi)極大的溫差也會(huì)對(duì)絕緣材料造成強(qiáng)烈的熱沖擊，使材料內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度和熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生基體剝落[27]。而在重復(fù)發(fā)射試驗(yàn)中，在熱沖擊的循環(huán)作用下，陶瓷等脆性和低延性材料可能發(fā)生斷裂[28]。即使是增韌高分子聚合物材料，表面所產(chǎn)生的微裂紋在重復(fù)發(fā)射試驗(yàn)中也會(huì)不斷擴(kuò)展直至絕緣失效。

裂紋、斷裂和剝落損傷都會(huì)削弱絕緣部件的介電性能和機(jī)械性能。除了材料自身性能影響裂紋、剝落和斷裂的產(chǎn)生以外，還有一些因素同樣會(huì)造成裂紋和斷裂損傷。M. J. John和P. B. David通過有限元分析證實(shí)了絕緣部件需要在安裝過程中施加足夠的預(yù)緊力，以防止在重復(fù)發(fā)射試驗(yàn)中受到破壞[29]。P. Lehmann等人在研究不同發(fā)射裝置身管結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)于玻璃纖維纏繞身管，由于身管無(wú)法在發(fā)射過程承載電樞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的巨大排斥力，產(chǎn)生了明顯的徑向擴(kuò)張，使得膛內(nèi)樹脂絕緣材料產(chǎn)生了大范圍的開裂損傷，如圖7所示[16]。D. A. Wetz等人在進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，一側(cè)的氧化鋁陶瓷材料由于在軌道發(fā)射裝置安裝過程中所加預(yù)緊力不足在發(fā)射過程中直接碎裂，如圖8所示[30]。

圖7 G-10表面產(chǎn)生的裂縫Fig.7 Cracks on G-10 surface

圖8 碎裂的Al2O3陶瓷絕緣部件Fig.8 Broken Al2O3 ceramic part

絕緣部件并不是一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，在選取和安裝絕緣部件時(shí)要充分考慮發(fā)射裝置的整體性能。并且材料的加工制造工藝很多，在實(shí)驗(yàn)研究中采用不同加工制造工藝的相同材料所表現(xiàn)的力學(xué)性能相差很大[7,31]，所以不僅要選取合適的材料，還要選擇合適的加工制造工藝。

4 絕緣問題改善方法的研究

雖然目前還未能從根本上解決絕緣部件所面臨的問題，但是經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，針對(duì)每種絕緣問題都有相關(guān)改善方法。

4.1 燒蝕損傷改善方法

對(duì)于等離子體電樞軌道發(fā)射裝置，由于電樞起始位置燒蝕損傷最嚴(yán)重，研究人員采用等離子體預(yù)注入方式減輕電樞起始位置的損傷狀況，并且采用陶瓷材料提高絕緣部件自身的抗燒蝕能力[32]，或者利用蒸汽保護(hù)層機(jī)制選取一些低分子質(zhì)量和低蒸發(fā)熱的增韌高分子材料作為絕緣部件。J. G. Gilligan等人在研究蒸汽保護(hù)層機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)膛內(nèi)溫度越高，蒸汽保護(hù)層的保護(hù)效果越好，并嘗試?yán)猛饧哟艌?chǎng)控制通過蒸汽保護(hù)層的熱通量，取得了不錯(cuò)的效果，但是由于外加磁場(chǎng)會(huì)對(duì)產(chǎn)生電樞推動(dòng)力的主磁場(chǎng)造成影響，所以這種方法無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際工程中[33]；F. Stefani等人在HART增強(qiáng)型軌道發(fā)射裝置上使用Al2O3陶瓷作為絕緣材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在電樞速度達(dá)到4km/s時(shí)不發(fā)生燒蝕損傷，證明了增強(qiáng)軌道可以在一定程度上減少等離子體電樞的功率，也即可以減輕其對(duì)絕緣部件的燒蝕損傷[34]。

對(duì)于固體電樞軌道發(fā)射裝置，由于膛內(nèi)絕緣材料剝落量遠(yuǎn)小于等離子體電樞軌道發(fā)射裝置，使得在固體電樞發(fā)射裝置的絕緣部件表面無(wú)法形成蒸汽保護(hù)層，所以一般選擇陶瓷等耐高溫材料來減輕燒蝕損傷，但是針對(duì)發(fā)射裝置膛口處的嚴(yán)重?zé)g目前還未有較好的解決方法。

4.2 金屬污染改善方法

由于膛內(nèi)情況非常復(fù)雜，針對(duì)金屬污染作用機(jī)制的研究較少，目前主要采用的方法為定期清理絕緣材料表面[16]。在不拆解軌道發(fā)射裝置時(shí)一般采用金屬研磨棒研磨內(nèi)膛表面，但是這種方法容易在絕緣部件表面造成凹槽；另一種方法是將絕緣部件從發(fā)射裝置身管結(jié)構(gòu)中拆解下來用化學(xué)試劑對(duì)其表面清洗，但是清洗劑一般都具有腐蝕性，可能會(huì)對(duì)基體材料造成一定損傷。如果發(fā)射裝置身管為一體式結(jié)構(gòu)，無(wú)法進(jìn)行拆解安裝時(shí)，只能采用研磨棒伸入發(fā)射裝置膛內(nèi)清潔。

除了發(fā)射間隙清理絕緣材料表面以外，另一種思路就是通過提高材料的抗金屬污染能力從根本上減輕污染損傷，劉存兄等人使用串列加速器在聚酯膜上產(chǎn)生核孔，提高了材料的抗金屬污染性能[35]，但是這種方法目前只能用于處理小面積、超薄材料，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際軌道發(fā)射裝置的絕緣材料。目前關(guān)于絕緣材料表面抗金屬污染的研究較少，還未有符合實(shí)際工程應(yīng)用的方法。

4.3 裂紋、斷裂和剝落損傷改善方法

裂紋、斷裂和剝落損傷產(chǎn)生的原因很多，除了和材料自身性質(zhì)有關(guān)以外，還會(huì)受到其他因素影響，目前主要有以下三種改善方法：

(1)采用合適的增韌措施提高材料的抗斷裂能力。陶瓷材料增韌措施主要有纖維增韌、晶須增韌、相變?cè)鲰g等[36]；樹脂高分子材料的增韌措施有纖維增韌和層間增韌[37]。對(duì)于G-10等樹脂材料，玻璃纖維增韌是目前應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)于先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料的研究很多，發(fā)展了許多高性能陶瓷材料[9]。

(2)采用合適的加工工藝。試驗(yàn)研究表明，不同加工工藝對(duì)材料的機(jī)械性能影響較大，例如相同發(fā)射試驗(yàn)中熱壓成型的Si3N4陶瓷表面的裂紋數(shù)量和深度明顯小于燒結(jié)成型的Si3N4陶瓷[7]。

(3)安裝過程中施加足夠的預(yù)緊力。只有施加足夠的預(yù)緊力才可以減小發(fā)射過程中絕緣材料和軌道以及發(fā)射裝置身管之間的擠壓程度，從而減少斷裂和裂紋產(chǎn)生的可能性，一些研究機(jī)構(gòu)采用多層結(jié)構(gòu)配合以保證可以獲得足夠的預(yù)緊力[16，32]，在一定程度上改善了損傷狀況。

5 絕緣材料的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過總結(jié)目前軌道發(fā)射裝置絕緣材料的相關(guān)研究工作，針對(duì)發(fā)射過程中出現(xiàn)的主要絕緣問題，并結(jié)合當(dāng)前已公開的文獻(xiàn)資料，可以將絕緣材料的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)歸納為四個(gè)方面：抗燒蝕能力、抗斷裂能力、抗熱沖擊能力和絕緣性能。前三種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)應(yīng)絕緣部件所受到的燒蝕損傷以及裂紋和斷裂損傷，由于目前絕緣材料并沒有抗金屬污染能力這一項(xiàng)指標(biāo)，而且金屬污染造成的最大危害就是影響材料的電氣特性，所以可以用絕緣性能表示。

(1) 抗燒蝕能力

絕緣部件受到燒蝕損傷后會(huì)發(fā)生碳化或者消融，這都會(huì)引起質(zhì)量損失，所以在等離子體電樞軌道發(fā)射裝置研究階段常用每兆焦輸入能量損失的質(zhì)量(g/MJ)衡量材料的抗燒蝕能力，表2為常用材料的數(shù)據(jù)[3]。相較于燒蝕閾值，絕緣材料的質(zhì)量損失是通過大量實(shí)際發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的，更符合實(shí)際工況使用。

表2 常用材料耐電弧燒蝕數(shù)據(jù)Tab.2 Arc ablation resistance ability of common materials

對(duì)于固體電樞軌道發(fā)射裝置，由于膛內(nèi)溫度遠(yuǎn)低于等離子體電樞軌道發(fā)射裝置，所以陶瓷材料一般不會(huì)受到燒蝕損傷，環(huán)氧樹脂等高聚物會(huì)在高溫下發(fā)生降解和交聯(lián)兩種化學(xué)反應(yīng)，并不會(huì)發(fā)生明顯質(zhì)量損失。而且由于絕緣材料表面存在金屬沉積現(xiàn)象，所以無(wú)法靠稱量發(fā)射前后絕緣部件的質(zhì)量差來衡量材料的抗燒蝕能力，一般可以借鑒等離子體電樞軌道發(fā)射裝置時(shí)期的研究數(shù)據(jù)或者用材料自身的短時(shí)耐受溫度衡量。

(2) 抗斷裂能力

材料的斷裂是由于內(nèi)部應(yīng)力分布不均衡，在一些鍵上形成應(yīng)力集中，這些集中了應(yīng)力的鍵在外力的影響下發(fā)生斷裂，最終引起固體材料的斷裂[38]。由于發(fā)射過程中膛內(nèi)環(huán)境非常復(fù)雜，造成斷裂的因素較多，從材料自身性能來衡量抗斷裂能力比較合理。

樹脂材料的抗斷裂能力一般用抗彎強(qiáng)度來衡量，抗彎強(qiáng)度越高，抗斷裂能力越強(qiáng)；雖然陶瓷材料也有抗彎強(qiáng)度這一力學(xué)性能，但是相較于金屬、高分子聚合物材料，制造工藝對(duì)陶瓷性能的影響較大，使得陶瓷材料的強(qiáng)度比較分散，所以一般用斷裂韌性KIC來衡量抗斷裂能力[9]，斷裂韌性越高，抗斷裂能力越強(qiáng)。表3為常用材料的相關(guān)數(shù)據(jù)[7,9]。

表3 常用材料抗斷裂能力Tab.3 Fracture resistance of common materials

從表3可以看出，對(duì)于同一種陶瓷基體材料，采用不同制造方式抗彎強(qiáng)度的差異不大，但是斷裂韌性卻可能相差數(shù)倍，因此在選擇陶瓷材料時(shí)應(yīng)以斷裂韌性參數(shù)為準(zhǔn)。R. D. Stevenson等人經(jīng)過對(duì)幾種方形軌道發(fā)射裝置和圓形軌道發(fā)射裝置的試驗(yàn)分析后得到發(fā)射過程中絕緣部件所受到的彎曲載荷始終低于345MPa，常用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂材料都可達(dá)到此要求，當(dāng)陶瓷材料的斷裂韌性達(dá)到8MPa·m0.5以上就可以承受400MPa的彎曲載荷，也可以滿足常規(guī)軌道發(fā)射裝置的應(yīng)用要求[9]。

(3) 抗熱沖擊能力

抗熱沖擊能力是指材料承受溫度急劇變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力而不致破壞的能力，分為抗熱沖擊斷裂性和抗熱沖擊損傷性兩個(gè)方面[39]。電磁發(fā)射裝置的重復(fù)發(fā)射穩(wěn)定性很大程度取決于絕緣部件的抗熱沖擊能力，抗熱沖擊能力越強(qiáng)，重復(fù)發(fā)射穩(wěn)定性越好。對(duì)于陶瓷等脆性材料，一般用破壞前能抵抗的最大溫差ΔTmax來表示抗熱沖擊能力，數(shù)值越大材料能承受的溫度變化越大，抗熱沖擊能力也就越強(qiáng)[40]。ΔTmax的表達(dá)式為：

(1)

式中，E為彈性模量；μ為泊松比；α為熱膨脹系數(shù)。S.N.Rosenwasser等人從熱應(yīng)力入手，推導(dǎo)出了適用于電磁發(fā)射絕緣材料的抗熱沖擊系數(shù)TSR(Thermal Shock Resistance)：

(2)

式中，σ為抗張強(qiáng)度；C為比熱容；K為熱導(dǎo)率；ρ為材料密度。從式(2)可以看出，當(dāng)材料的抗拉強(qiáng)度越高，熱膨脹系數(shù)越小，彈性模量越低，熱穩(wěn)定性就越好。由于電磁發(fā)射過程的瞬態(tài)性(ms級(jí))，絕緣材料的表面溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)部溫度，材料的比熱容越大，溫升就會(huì)越小，熱導(dǎo)率K越大，熱量分布就會(huì)越均勻，材料溫升抗熱沖擊能力也越強(qiáng)。表4為軌道發(fā)射裝置中常用絕緣材料的相關(guān)參數(shù)[7]。

表4 常用材料抗熱沖擊能力相關(guān)參數(shù)Tab.4 Thermal shock resistance parameters of common materials

(4) 絕緣性能

用來表征物體絕緣性能的參數(shù)有很多，由于電磁發(fā)射過程中金屬污染只發(fā)生在絕緣部件表面，因此可以用沿面閃絡(luò)電壓來表示其絕緣性能。沿面放電是發(fā)生在固體電介質(zhì)表面的一種氣體放電現(xiàn)象，沿面閃絡(luò)電壓比固體或氣體單獨(dú)存在時(shí)的擊穿電壓都低，所以用沿面閃絡(luò)電壓作為絕緣部件表面介電性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較合適。

在目前的電磁發(fā)射試驗(yàn)中，當(dāng)軌道之間絕緣部件表面沿面閃絡(luò)電壓低于1kV/cm時(shí)即認(rèn)為絕緣失效，無(wú)法保證發(fā)射系統(tǒng)的安全性。由于發(fā)射過程中影響沿面閃絡(luò)電壓的因素較多，具體數(shù)據(jù)還需在實(shí)際發(fā)射試驗(yàn)后測(cè)量。也有部分研究人員用表面電阻率代替沿面閃絡(luò)電壓，但是由于發(fā)射試驗(yàn)后絕緣材料表面可能存在裂紋和凹槽，會(huì)給絕緣電阻測(cè)量的精確性帶來很大的困難，而沿面閃絡(luò)電壓更容易準(zhǔn)確測(cè)量。

以上四種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)只考慮了絕緣材料的自身性能，在實(shí)際工程應(yīng)用和量產(chǎn)化時(shí)，絕緣材料的密度和價(jià)格也需要納入考慮范圍。

6 結(jié)論

經(jīng)過多年的研究工作，電磁軌道發(fā)射裝置中絕緣問題的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，試驗(yàn)和改進(jìn)了許多性能優(yōu)異的材料，但有關(guān)失效機(jī)制的研究較少，缺乏相關(guān)理論成果?，F(xiàn)有的大部分研究工作都是針對(duì)等離子體電樞發(fā)射裝置，有關(guān)固體電樞發(fā)射裝置的研究較少，尤其缺少金屬污染這一關(guān)鍵問題上的相關(guān)研究；對(duì)于膛內(nèi)金屬液滴和蒸汽的運(yùn)動(dòng)過程還未有足夠的認(rèn)識(shí)，也沒有合適的改善方法。

絕緣部件性能變化的規(guī)律將直接影響重復(fù)發(fā)射軌道裝置的效率和壽命，所以在未來的工作中應(yīng)將重點(diǎn)放在絕緣部件失效規(guī)律的研究上。現(xiàn)有的研究主要針對(duì)單發(fā)或者低頻重復(fù)發(fā)射，雖然已經(jīng)取得了一些成果，但是從單發(fā)和低頻重復(fù)發(fā)射中得到的相關(guān)成果能否直接推廣到高頻重復(fù)發(fā)射，還需要通過相關(guān)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析后再下結(jié)論。本文雖然提到了一些導(dǎo)致絕緣失效的影響因素，但是針對(duì)每種因素的破壞作用需要有一個(gè)權(quán)重來衡量，這樣可為絕緣部件的選材和設(shè)計(jì)提供參考標(biāo)準(zhǔn)。

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Research progress on insulation problems in electromagnetic rail launcher

ZHAO Wei-kang1,2,3, XU Rong1,3, YUAN Wei-qun1,3, YAN Ping1,3

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Power Electronics and Power Drives, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The insulator undertakes the function of the electrical insulation and works as the support fixed in the electromagnetic rail launcher. But it frequently failed in repeat launch experiments. At high repetition rate, the degradation of insulation performance will directly affect the efficiency and lifetime of the system, and it is one of the key problems to be solved. Firstly, this paper introduces the current situation and existing problems of insulation research by reviewing the research history of the insulation problem in the electromagnetic rail launcher. Then, the paper lists the main factors and effects of insulation failures, analyzes the regular pattern and failure mechanisms, and introduces the improvement methods of the related problems. Finally, the evaluation criteria of insulation materials are summarized, and the research trend of insulation is also discussed.

electromagnetic launch; insulation bracing structure; metal deposition; ablation; failure mechanism

2016-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51237007; 51207035)

趙偉康(1993-)， 男， 山東籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)； 徐 蓉(1981-)， 女， 甘肅籍， 副研究員， 博士， 研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)。

10.12067/ATEEE1612095

1003-3076(2017)07-0063-10

TM89；TM21