電磁軌道炮石墨烯涂層U型電樞的發射試驗研究

杜傳通， 雷 彬， 呂慶敖， 邢彥昌， 張 倩

(軍械工程學院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

電磁軌道炮石墨烯涂層U型電樞的發射試驗研究

杜傳通， 雷 彬， 呂慶敖， 邢彥昌， 張 倩

(軍械工程學院彈藥工程系， 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，通過對普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞進行了低速發射試驗，分析了石墨烯涂層對電磁軌道炮放電電流、電樞速度及試驗后電樞形貌等的影響。結果表明：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、減小樞軌間滑動摩擦因數的作用。試驗結果對將石墨烯應用于電磁軌道炮，提高其滑動電接觸特性具有一定的指導意義。

電磁軌道炮； 石墨烯； 涂層；U型電樞； 發射試驗

電磁軌道炮是一種利用高強電磁將彈丸加速至超高速的新概念動能武器，與常規火炮相比，具有安全性高、噪聲污染小、初速可控、效費比高及運輸方便等優勢[1]，是21世紀最有可能裝備的新型作戰武器。由于電磁軌道炮在發射彈丸過程中要承受高溫、高壓、電氣及摩擦沖擊力，容易產生材料軟化、高速刨削、電弧燒蝕和邊緣槽蝕等損傷，因此電磁軌道炮發射器壽命問題已成為實現電磁軌道炮實戰化應用的技術難點。選用合適的電樞與軌道材料是提高發射效率及減少損傷的必要措施[2]，如：MATTHEW等[3]利用Ashby圖法對電樞與軌道材料進行優化選擇，確定了一種滿足電磁軌道炮發射要求的最優混合材料結構，即以具有良好電導性的金屬作為基體，以耐磨損材料為表面層。

為研發出高強、高導的先進涂層材料，國內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，將TiN和TaN覆蓋在銅軌道和鋁電樞表面進行發射試驗，發現樞軌界面間摩擦磨損、燒蝕現象會明顯減少；SHVETSOV等[5]將柯普爾銅鎳合金涂層鍍覆在軌道表面進行發射試驗，發現該涂層能夠減輕電流“趨膚效應”,提高彈丸速度。此外，NOVOSELOV等[6]采用機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、最堅硬的材料之一，具有強度、熔點和熱導率高及導電性優異的特點，其電阻率僅為10-6Ω·cm，約為銅的1/100，是目前已發現的電阻率最低的材料，在電子器件、高強度材料、潤滑材料和能源儲存等方面具有顯著的應用價值。因此，探索開展石墨烯涂層對電磁軌道炮發射性能影響的試驗研究，對于改進電磁軌道炮樞軌材料一定的指導意義。

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型電樞相對比，在電磁軌道炮上進行2組低速發射試驗，研究了石墨烯涂層對電磁軌道炮低速段發射性能的影響。

1 理論分析

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

圖1 實際接觸面電流收縮效應示意圖

為探究接觸狀況對樞軌界面溫度的影響，設樞軌接觸壓力為F，電樞強度為σ，則總接觸面積A為

(1)

假設N個接觸點為圓形且大小相等，則接觸點半徑a為

(2)

單個接觸點的收縮電阻Rs為

(3)

式中：ρ1、ρ2分別為電樞和軌道的電阻率。因此，單個接觸點處的電壓降V為

(4)

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

石墨烯是碳原子以sp2雜化方式鍵合的單層二維碳結構，厚度約為0.34 nm，屬于納米結構材料，其電學、熱學及力學方面的性能優異。與其他傳統填充材料相比，石墨烯具有強度高、導電性能優和熔點高等優點，因此更適合作為樞軌界面間的填充材料。同時，石墨烯具有優良的熱導性和熱穩定性，能更好地減小樞軌界面的溫升速率，減緩因溫度過高而導致的材料熔融甚至汽化現象，避免燒蝕，最終可保證電樞在發射過程中的穩定性。

同時，由于石墨烯具有良好的機械性能和較小的層間剪切力，使得其比其他碳材料表現出更低的摩擦因數。WASHIZU等[9]采用粗晶模擬的方式發現：單層石墨烯因具有黏-滑特征，與多層石墨烯相比其會表現出較高的摩擦力，且穩定性較差。朱齊榮等[10]對石墨烯的摩擦與磨損性質研究后發現：石墨烯的摩擦力會隨著層數的增加而減小，且摩擦因數也隨之降低，石墨烯層與層之間的范德華力就會相應減弱。因此，樞軌界面間的多層石墨烯也可作為一種潤滑劑，顯著降低滑動摩擦力和摩擦因數，在放電電流相同的情況下，提高電樞發射速度。

2 試驗部分

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，將質量分數為75%的石墨烯復合導電劑(層數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，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

U型電樞本體材料為6061鋁合金，具有較好的抗拉強度。為了獲得良好的初始接觸預緊力，設計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，石墨烯分散液在靜電場的高壓作用下噴向電樞表面，隨著溶劑的揮發，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 涂層制備工藝參數表

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

圖3 電樞實物圖

2.2發射試驗

2.2.1 電源系統

試驗采用了文獻[11]所述的5組電源模塊，其中：為提供低速發射條件，每發電樞電容器充電電壓均設置為5 kV，放電時序參數為(0，0，0，500，800) μs。

2.2.2 發射器與電樞

試驗采用方口徑的電磁軌道發射器，口徑為20 mm×20 mm，有效長度為1 000 mm，采用玻璃纖維環氧體以上下壓緊方式對兩側導軌進行定位和預緊。軌道為10 mm×40 mm矩形H62黃銅材料，電阻率為7.1×10-8Ω·m。根據克里斯克(Kerrisk)電感梯度計算公式可得：矩形軌道電感梯度為0.347 μH/m。

為控制單一變量，在2組新軌道上分別對普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞進行6發低速度連續發射試驗，每發電樞的初始位置均距炮口90 cm。

2.2.3 測量裝置

電磁軌道炮發射試驗主要測量了放電電流、電樞速度等參數。各脈沖電源模塊的電流由其內部獨立的羅果夫斯基(Rogowski)線圈測得，通過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磁探針測量電樞速度，其B-dot磁探針主要由一個感應環線圈組成，利用電磁感應原理，通過感應流過電樞的電流產生的磁場變化得到感應電壓信號，進而推算出相鄰B-dot磁探針間的平均電樞速度。

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

采用分布式安裝了4個B-dot磁探針，距炮口距離分別為10、20、30、40 mm，其編號如圖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 結果與分析

3.1電樞速度

以第6發低速度連續發射試驗為典型進行分析。圖6為發射第6發不同電樞時的放電電流波形。

圖6 發射第6發不同電樞時放電電流波形

由于電樞出膛瞬間電樞與軌道界面的固-固接觸變為電弧接觸，使得軌道間的阻抗載荷會發生突變，導致放電電流波形出現了明顯的轉折點，通常以該轉折點處對應的時刻為電樞出膛時刻。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，而下降沿轉折點處的時刻差別較大，其普通U型電樞的出膛時刻約為5.7 ms，石墨烯涂層U型電樞的出膛時刻為4.8 ms，與前者相比縮短了0.9 ms，這說明在發射距離相等時，石墨烯涂層U型電樞能達到的平均速度更大。

電樞通過B-dot磁探針正下方時會導致線圈上的感應電壓信號發生正負變化，以零電壓時刻表示電樞滑過該B-dot磁探針的位置。圖7為發射第6發不同電樞時B-dot磁探針的感應電壓波形。可以看出：發射第6發普通U型電樞時B-dot磁探針在3.55 ms開始產生感應電壓信號，而石墨烯涂層U型電樞則在3.15 ms產生感應電壓信號，比前者提前了約0.4 ms，也說明石墨烯涂層U型電樞能達到更高的發射速度。

圖7 發射第6發不同電樞時B-dot磁探針感應電壓波形

根據圖7中相鄰零電壓時刻，可得到通過相鄰B-dot磁探針的時間差。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′表示發射普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞時相鄰B-dot磁探針間的平均速度，其變化曲線如圖8所示。可以看出：在每組連續發射試驗中，同一位置處電樞的平均速度均隨發射次數的增加而增大，且幅度逐步減小，表明接觸界面間的實際接觸狀態逐步穩定；當發射次數相同時，相同位置處的電樞速度具有明顯差異，其中第6發普通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

為比較發射不同電樞時接觸界面的變化，對普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞進行了回收。圖9為發射后的第6發普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞的接觸界面形貌。可以看出：與普通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定的滑動電接觸狀態。結合電樞平均速度分析可知：石墨烯涂層具有較好的電傳導和潤滑作用，在保證良好電傳導的基礎上，可減小樞軌間滑動摩擦因數。

圖9 發射后不同電樞接觸界面形貌

4 結論

通過對普通U型電樞和石墨烯涂層U型電樞的低速發射試驗結果對比分析，可得到如下結論：

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

2)根據對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電填料改善樞軌界面的接觸狀態；

3)石墨烯涂層可滿足樞軌界面間的導電要求，且具有一定的潤滑作用。

由于電磁軌道炮發射環境復雜，石墨烯涂層作用的機理還需從滑動電接觸電阻和滑動摩擦力等方面進行深入研究。

[1] 李軍，嚴萍，袁偉群. 電磁軌道炮發射技術的發展與現狀[J].高電壓技術,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、理論應用與技術[M].北京：機械工業出版社,2010:2-7.

[8] 李鶴，雷彬，李治源，等.電磁軌道炮試驗過程中樞軌界面的接觸電阻特性[J].高電壓技術,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[J].物理化學學報,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界面初始熔蝕的試驗研究[J].高電壓技術,2015,41(6):1879-1884.

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

(責任編輯: 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

國家自然科學基金資助項目(51407195)

杜傳通(1992-)，男，碩士研究生。

TJ866

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