电磁轨道炮石墨烯涂层U型电枢的发射试验研究

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)

电磁轨道炮石墨烯涂层U型电枢的发射试验研究

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)

利用涂层制备装置在普通U型电枢表面制备了石墨烯涂层，通过对普通U型电枢和石墨烯涂层U型电枢进行了低速发射试验，分析了石墨烯涂层对电磁轨道炮放电电流、电枢速度及试验后电枢形貌等的影响。结果表明：与普通U型电枢相比，石墨烯涂层U型电枢的电枢速度可提高20%以上，且石墨烯涂层具有抗电弧烧蚀、减小枢轨间滑动摩擦因数的作用。试验结果对将石墨烯应用于电磁轨道炮，提高其滑动电接触特性具有一定的指导意义。

电磁轨道炮； 石墨烯； 涂层；U型电枢； 发射试验

电磁轨道炮是一种利用高强电磁将弹丸加速至超高速的新概念动能武器，与常规火炮相比，具有安全性高、噪声污染小、初速可控、效费比高及运输方便等优势[1]，是21世纪最有可能装备的新型作战武器。由于电磁轨道炮在发射弹丸过程中要承受高温、高压、电气及摩擦冲击力，容易产生材料软化、高速刨削、电弧烧蚀和边缘槽蚀等损伤，因此电磁轨道炮发射器寿命问题已成为实现电磁轨道炮实战化应用的技术难点。选用合适的电枢与轨道材料是提高发射效率及减少损伤的必要措施[2]，如：MATTHEW等[3]利用Ashby图法对电枢与轨道材料进行优化选择，确定了一种满足电磁轨道炮发射要求的最优混合材料结构，即以具有良好电导性的金属作为基体，以耐磨损材料为表面层。

为研发出高强、高导的先进涂层材料，国内外研究者做了诸多努力。如：GREGORY等[4]采用等离子源离子注入(Plasma Source Ion Implantation,PSII)和溅镀(Ion Beam Enhanced Deposition,IBED)技术，将TiN和TaN覆盖在铜轨道和铝电枢表面进行发射试验，发现枢轨界面间摩擦磨损、烧蚀现象会明显减少；SHVETSOV等[5]将柯普尔铜镍合金涂层镀覆在轨道表面进行发射试验，发现该涂层能够减轻电流“趋肤效应”,提高弹丸速度。此外，NOVOSELOV等[6]采用机械剥离的方式首次制得了一种单层二维碳材料，该材料是目前最薄、最坚硬的材料之一，具有强度、熔点和热导率高及导电性优异的特点，其电阻率仅为10-6Ω·cm，约为铜的1/100，是目前已发现的电阻率最低的材料，在电子器件、高强度材料、润滑材料和能源储存等方面具有显著的应用价值。因此，探索开展石墨烯涂层对电磁轨道炮发射性能影响的试验研究，对于改进电磁轨道炮枢轨材料一定的指导意义。

基于此，笔者利用涂层制备装置将石墨烯逐层涂覆在普通U型电枢的接触表面，得到石墨烯涂层U型电枢，并与普通U型电枢相对比，在电磁轨道炮上进行2组低速发射试验，研究了石墨烯涂层对电磁轨道炮低速段发射性能的影响。

1 理论分析

研究电磁轨道炮的目的是制造出能连续发射几百或几千发电枢的高动能武器。然而，枢轨界面的焦耳热、摩擦热等常引起电枢或轨道损伤，这极大地缩短了发射器寿命。根据电接触理论，电枢和轨道相接触时，只有少数点(小面)产生了实际接触，极易产生电流I的收缩效应，如图1所示[7]。

图1 实际接触面电流收缩效应示意图

为探究接触状况对枢轨界面温度的影响，设枢轨接触压力为F，电枢强度为σ，则总接触面积A为

(1)

假设N个接触点为圆形且大小相等，则接触点半径a为

(2)

单个接触点的收缩电阻Rs为

(3)

式中：ρ1、ρ2分别为电枢和轨道的电阻率。因此，单个接触点处的电压降V为

(4)

由式(4)可以看出：接触点处的电压降与导电接触点数目的平方根成反比。也就是说，为减小枢轨界面间产热率，接触点要尽可能多。为此，可选用合适的界面材料填补枢轨界面间的微观空隙和凹凸的孔洞，以增多接触点数，从而降低接触面处的电压降和产热率。同时，枢轨界面的接触电阻越小，发射效率越高[8]。因此，界面填充材料的导电性越高越好。

石墨烯是碳原子以sp2杂化方式键合的单层二维碳结构，厚度约为0.34 nm，属于纳米结构材料，其电学、热学及力学方面的性能优异。与其他传统填充材料相比，石墨烯具有强度高、导电性能优和熔点高等优点，因此更适合作为枢轨界面间的填充材料。同时，石墨烯具有优良的热导性和热稳定性，能更好地减小枢轨界面的温升速率，减缓因温度过高而导致的材料熔融甚至汽化现象，避免烧蚀，最终可保证电枢在发射过程中的稳定性。

同时，由于石墨烯具有良好的机械性能和较小的层间剪切力，使得其比其他碳材料表现出更低的摩擦因数。WASHIZU等[9]采用粗晶模拟的方式发现：单层石墨烯因具有黏-滑特征，与多层石墨烯相比其会表现出较高的摩擦力，且稳定性较差。朱齐荣等[10]对石墨烯的摩擦与磨损性质研究后发现：石墨烯的摩擦力会随着层数的增加而减小，且摩擦因数也随之降低，石墨烯层与层之间的范德华力就会相应减弱。因此，枢轨界面间的多层石墨烯也可作为一种润滑剂，显著降低滑动摩擦力和摩擦因数，在放电电流相同的情况下，提高电枢发射速度。

2 试验部分

2.1石墨烯涂层U型电枢的制备

2.1.1 石墨烯分散液的制备

首先，将质量分数为75%的石墨烯复合导电剂(层数6～10层，片层尺寸为5～15 μm，片层平均厚度为3 nm)20 mg溶于40 mL无水乙醇中，并加入少量表面活性剂，初步制备石墨烯溶液;然后,采用KB-500DB型超声波清洗器(转速为10 000 r/min，频率为50 Hz)超声分散9 h，每隔30 min搅拌一次;同时，为使分散效果更佳，每隔2 h更换一次清洗槽中的水，并保持前后水位相同，最终获得石墨烯分散液。

2.1.2 石墨烯涂层制备装置及工艺参数

U型电枢本体材料为6061铝合金，具有较好的抗拉强度。为了获得良好的初始接触预紧力，设计U型电枢接触臂尾端径向尺寸为21.4 mm。石墨烯涂层制备前，先用丙酮清洗U型电枢，以去除油污、粉尘和氧化膜，使其表面清洁。

图2为石墨烯涂层制备装置，其涂层制备工艺参数如表1所示。石墨烯涂层的制备主要利用静电喷涂原理：在高电压作用下，喷头与接地的被喷涂件之间形成静电场，石墨烯分散液在静电场的高压作用下喷向电枢表面，随着溶剂的挥发，石墨烯颗粒沉积在电枢表面形成均匀的涂层。

图2 石墨烯涂层制备装置

表1 涂层制备工艺参数表

试验制备的石墨烯涂层尺寸约100 μm，厚度忽略不计。普通U型电枢与石墨烯涂层U型电枢实物图如图3所示。

图3 电枢实物图

2.2发射试验

2.2.1 电源系统

试验采用了文献[11]所述的5组电源模块，其中：为提供低速发射条件，每发电枢电容器充电电压均设置为5 kV，放电时序参数为(0，0，0，500，800) μs。

2.2.2 发射器与电枢

试验采用方口径的电磁轨道发射器，口径为20 mm×20 mm，有效长度为1 000 mm，采用玻璃纤维环氧体以上下压紧方式对两侧导轨进行定位和预紧。轨道为10 mm×40 mm矩形H62黄铜材料，电阻率为7.1×10-8Ω·m。根据克里斯克(Kerrisk)电感梯度计算公式可得：矩形轨道电感梯度为0.347 μH/m。

为控制单一变量，在2组新轨道上分别对普通U型电枢和石墨烯涂层U型电枢进行6发低速度连续发射试验，每发电枢的初始位置均距炮口90 cm。

2.2.3 测量装置

电磁轨道炮发射试验主要测量了放电电流、电枢速度等参数。各脉冲电源模块的电流由其内部独立的罗果夫斯基(Rogowski)线圈测得，通过同步采集可获得各模块合成后的放电电流。采用自制的B-dot磁探针测量电枢速度，其B-dot磁探针主要由一个感应环线圈组成，利用电磁感应原理，通过感应流过电枢的电流产生的磁场变化得到感应电压信号，进而推算出相邻B-dot磁探针间的平均电枢速度。

B-dot磁探针安装在试验装置的侧面，与电枢的中心点处于同一平面且到两轨道距离相等，如图4所示。由于感应线圈的法线与轨道电流方向平行，因此线圈上的感应电压只能由电枢电流产生[12]。

采用分布式安装了4个B-dot磁探针，距炮口距离分别为10、20、30、40 mm，其编号如图5所示。

图4 B-dot磁探针安装位置示意图

图5 B-dot磁探针安装分布图

3 结果与分析

3.1电枢速度

以第6发低速度连续发射试验为典型进行分析。图6为发射第6发不同电枢时的放电电流波形。

图6 发射第6发不同电枢时放电电流波形

由于电枢出膛瞬间电枢与轨道界面的固-固接触变为电弧接触，使得轨道间的阻抗载荷会发生突变，导致放电电流波形出现了明显的转折点，通常以该转折点处对应的时刻为电枢出膛时刻。由图6可以看出：不同电枢放电电流波形的上升沿基本一致，而下降沿转折点处的时刻差别较大，其普通U型电枢的出膛时刻约为5.7 ms，石墨烯涂层U型电枢的出膛时刻为4.8 ms，与前者相比缩短了0.9 ms，这说明在发射距离相等时，石墨烯涂层U型电枢能达到的平均速度更大。

电枢通过B-dot磁探针正下方时会导致线圈上的感应电压信号发生正负变化，以零电压时刻表示电枢滑过该B-dot磁探针的位置。图7为发射第6发不同电枢时B-dot磁探针的感应电压波形。可以看出：发射第6发普通U型电枢时B-dot磁探针在3.55 ms开始产生感应电压信号，而石墨烯涂层U型电枢则在3.15 ms产生感应电压信号，比前者提前了约0.4 ms，也说明石墨烯涂层U型电枢能达到更高的发射速度。

图7 发射第6发不同电枢时B-dot磁探针感应电压波形

根据图7中相邻零电压时刻，可得到通过相邻B-dot磁探针的时间差。分别以距炮口15、25、35 cm位置处的电枢速度v1、v2、v3和v1′、v2′、v3′表示发射普通U型电枢和石墨烯涂层U型电枢时相邻B-dot磁探针间的平均速度，其变化曲线如图8所示。可以看出：在每组连续发射试验中，同一位置处电枢的平均速度均随发射次数的增加而增大，且幅度逐步减小，表明接触界面间的实际接触状态逐步稳定；当发射次数相同时，相同位置处的电枢速度具有明显差异，其中第6发普通U型电枢在距炮口15 cm处的电枢平均速度约为240 m/s，而石墨烯涂层U型电枢的平均速度约为295 m/s，比前者提高了20%以上。

图8 不同位置处电枢平均速度变化曲线

3.2电枢接触界面特性

为比较发射不同电枢时接触界面的变化，对普通U型电枢和石墨烯涂层U型电枢进行了回收。图9为发射后的第6发普通U型电枢和石墨烯涂层U型电枢的接触界面形貌。可以看出：与普通U型电枢相比，石墨烯涂层U型电枢的表面烧蚀程度较小，且以熔融为主，说明石墨烯涂层起到了抗电弧烧蚀的作用，能更好地保持电枢与轨道界面间稳定的滑动电接触状态。结合电枢平均速度分析可知：石墨烯涂层具有较好的电传导和润滑作用，在保证良好电传导的基础上，可减小枢轨间滑动摩擦因数。

图9 发射后不同电枢接触界面形貌

4 结论

通过对普通U型电枢和石墨烯涂层U型电枢的低速发射试验结果对比分析，可得到如下结论：

1)在相同发射条件下，石墨烯涂层U型电枢比普通U型电枢能达到更高的平均速度，可提高20%以上，这说明石墨烯涂层对提高电磁轨道炮发射效率具有显著作用；

2)根据对电枢接触界面形貌的分析，石墨烯涂层具有较好的抗电弧烧蚀作用，可作为良好的界面导电填料改善枢轨界面的接触状态；

3)石墨烯涂层可满足枢轨界面间的导电要求，且具有一定的润滑作用。

由于电磁轨道炮发射环境复杂，石墨烯涂层作用的机理还需从滑动电接触电阻和滑动摩擦力等方面进行深入研究。

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(责任编辑: 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

国家自然科学基金资助项目(51407195)

杜传通(1992-)，男，硕士研究生。

TJ866

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