丝电爆制备纳米颗粒的电参数对能量沉积的影响

金属纳米颗粒具有小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特殊性质，在军事国防、电子信息、生物医学等领域都有着广阔的应用前景[1-3].丝电爆制备纳米颗粒是指通过脉冲放电技术将大电流迅速导入金属丝中，使其在极短的时间内因焦耳加热而沉积能量，并快速相变膨胀，最终碰撞冷凝形成金属纳米颗粒.该方法具有工艺参数调整方便，所制产品粒径分布均匀、纯度高，方法通用性强等特点[4]，有望成为工业化制备纳米颗粒的有效方法.

当丝电爆制备纳米颗粒的电参数与金属丝质量实现匹配时，总沉积能量才能够充分起爆金属丝[5]，避免大颗粒的形成.电参数一般指丝电爆回路中电压、电感和电容等参数[6]，此外，电流上升率，电流脉冲极性[7-8]等因素也会影响金属丝的能量沉积.目前，研究电参数的方法主要集中在电路模拟和直接改变电参数进行试验[9-11]，未能将电参数与丝电爆装置的设计联系起来，难以依托丝电爆装置对金属丝的能量沉积进行有效控制.丝电爆过程中电流谐波广泛存在[12]，但谐波对沉积能量的贡献未见专门研究.

为此，本文通过在丝电爆装置上使用两种类型的实物电极，将电参数与电极类型和气隙长度建立联系.通过改变电极类型和气隙长度进行丝电爆试验，使用高采样率的示波器采集电压电流信号，结合金属丝沉积能量和制备的纳米颗粒粒径分布进行分析，发现幅值很高的谐波成分对能量沉积有直接影响，可以通过改变丝电爆过程中电参数从而影响金属丝的基波和谐波的沉积能量.

1 实验装置与方法

丝电爆装置如图1所示.金属丝被压丝杆压紧，固定在载丝轮上，载丝轮在马达的带动下逆时针旋转.当金属丝被运送到两个电极之间时，触发管导通，储能电容迅速放电，击穿气体介质向金属丝导入大电流，发生一次电爆炸.随着载丝轮连续旋转，可以实现丝电爆过程的自动重复.实验结束后，悬浮在气体中的纳米颗粒在风机的牵引下定向运动，最终被储存在收集罐中.

图1 丝电爆装置
Fig.1 The equipment of wire electrical explosion

进行丝电爆时，选取直径0.2 mm的镍丝作为实验材料，气体介质为氩气，储能电容为2 μF，充电电压为16 kV.图1展示了两种类型的电极，图1a中与载丝轮配合的高压电极和接地电极构成平行电极，其主体是两根分立的实心铜柱，通过电极尖端向金属丝放电；图1b的剖视图仅表示同轴电极，其他丝电爆装置的部件同图1a所示.同轴电极由一根铜柱连接高压电极，铜管套在铜柱外，形成同轴结构，接地电极从铜管的侧面引出.放电气隙是电极尖端与金属丝之间的气体间隙，通过调整高压电极和接地电极的朝向和空间位置可以改变气隙长度，用于实验的气隙长度有 7、 5 mm和无气隙.实验中使用泰克P6501型高压探头采集电压波形，泰克110 A型Rogowski线圈采集电流波形，泰克TDS2024B型数字存储示波器以最高2.5 GHz的采样频率同步采集电容两端电压和回路电流信号.利用采集的电压电流数据获得金属丝沉积能量为

E=uR(t)·i(t)dt

(1)

式中：uR是镍丝两端的电压;i是回路电流.由于电流中存在幅值很高的谐波成分，选取原始电流和滤波后的电流分别进行计算，用于研究基波和谐波沉积能量的大小.丝电爆回路由金属丝、电极、放电气隙和与储能电容串联构成，其中金属丝、电极、放电气隙都可以等效为电感和电阻的串联，所以改变电极类型和气隙长度可以改变电路中的电参数.由于高压探头记录的是储能电容两端的电压，并且气隙和电极的电阻相比急剧增长的金属丝电阻可以忽略不计，所以镍丝两端的电压uR为

式中：uC是储能电容两端电压;uL是总电感电压;L是回路总电感;T是电流等离子振荡周期;C是储能电容.

2 实验结果及讨论

2.1 丝电爆过程的电流波形分析

在丝电爆装置上进行系列实验，发现丝电爆电流中包含幅值很高的谐波成分，对采集的电流波形进行滤波和傅立叶分解，电流信号及其处理结果如图2所示.

图2a是同轴电极条件下原始电流信号和低通滤波后的电流基波信号.可以看出，在丝电爆过程中，电流谐波始于电路导通时刻，其峰值可达19.6 kA，随后很快衰减；滤波后的电流基波有一定阶段特征，先迅速上升，经过较缓慢的降低后，在电爆炸时快速下降，其峰值为8.8 kA，低于电流谐波的峰值.图2b是原始电流的频谱，可以看出，电流频谱峰值对应0.457 MHz，第二频谱峰值对应32.9 MHz，除了22～40 MHz外，其他区间的频谱幅值均很低，说明电流谐波主频率集中在30 MHz左右.

图2c是平行电极下原始电流信号和低通滤波后的电流基波信号.可以看出，在丝电爆过程中，电路导通之前也可能出现高幅谐波，其峰值可达144 kA，在电路导通后，电流峰值可达128 kA，电流幅值先快速增大至峰值再振荡衰减；滤波后的电流基波幅值很低，呈现先升高后降低的趋势.图2d是原始电流的频谱，可以看出，电流频谱峰值对应32.3 MHz，其他区间的频谱幅值较低，不超过频谱峰值的1/2.

图2 丝电爆电流信号及其处理结果
Fig.2 Current signal and its processing results of wire electrical explosion

对四类不同试验条件下的电流波形进行处理，电流谐波峰值和谐波主频率见表1.可以看出，在相同气隙长度下，使用平行电极可以明显增大电流谐波峰值，但对谐波主频率基本没有影响.在相同电极类型下，气隙越长，电流谐波峰值越大，谐波主频率基本呈下降趋势.

表1 不同试验条件下的电流谐波峰值和电流谐波主频率

Tab.1 Peak and main frequency of current harmonics under different test conditions

2.2 丝电爆过程的能量沉积分析

利用采集的原始电流获得总沉积能量，它包含了基波和谐波沉积能量；利用滤波后的电流获得基波沉积能量.相同气隙长度，不同电极类型下的沉积能量见表2.由表2可以看出，同轴电极时基波沉积能量较多，平行电极时总沉积能量较多，且高频能量占比明显升高.在高幅谐波电流下改变电极类型能够影响金属丝的沉积能量和谐波能量占比，可以依托丝电爆装置对金属丝沉积能量进行有效控制.

表2 不同电极类型下的沉积能量

Tab.2 Deposited energy under different electrode types

由上述结果可知，电极的类型能影响金属丝的能量沉积，其原因是结构的差异导致电极在电路中具有不同的电学特性.同轴电极的同轴结构由于削弱了自身磁场而拥有较小的电感，电感能阻碍和延缓电流的上升，电感减小，储能电容的能量可以迅速向金属丝释放，导致基波沉积能量增多.有一种解释认为丝电爆产生的等离子体和带电荷的爆炸产物在背景磁场中的运动造成了电磁辐射场[13]，等离子体和强电磁辐射导致了谐波的出现，使得电流谐波峰值高于电流基波峰值.同轴电极虽然电感较小，但对电磁辐射有明显屏蔽作用，阻碍了谐波部分的能量沉积，使得平行电极条件下总沉积能量较高.

相同电极类型不同气隙长度下的沉积能量见表3.由表3可以看出，气隙越长，总沉积能量越多，高频沉积能量占比越高，各组基波沉积能量基本在一定范围内，差异并不明显.在高幅谐波电流下改变气隙长度能够影响金属丝的总沉积能量和谐波能量占比，对丝电爆装置的气隙长度选择具有借鉴意义.

表3 不同气隙长度下的沉积能量

Tab.3 Deposited energy under different air gap lengths

但是无气隙是一种极端情况，仅用于说明气隙影响能量沉积的变化趋势.若无气隙会造成电极烧蚀[14]，缩短电极的使用寿命，所以应当保留气隙.气隙在丝电爆电路中可以等效为电感和电阻的串联，气隙越长，击穿气隙时消耗的能量越多，但差异并不明显，不会对爆炸产物造成显著影响[15].在丝电爆过程中环境温度较高，导致气体电离度较高，磁扩散率较低，导电气体在背景磁场中运动产生的磁场压缩和扩散能够造成不可忽略的磁场扰动[16].气隙加长，导电气体的运动空间变大，对电磁辐射的扰动也加大，导致电流谐波幅值变高，增加了谐波沉积能量占比，提高了总沉积能量.

2.3 纳米颗粒的粒径分析

丝电爆过程中的能量沉积直接关系到所制纳米颗粒的粒径分布.对比表2和表3可以发现，相较于改变气隙长度，改变电极类型可以更明显地改变金属丝谐波能量占比和总沉积能量，对纳米颗粒具有更大的影响力.因此，收集不同电极类型下制备的镍纳米颗粒拍摄透射电镜照片，如图3所示.

从图3可以看出，平行电极条件下颗粒轮廓多为多边形，重叠度较高，说明有较多的金属蒸汽生成，并且相互碰撞频繁，导致轮廓不规则.同轴电极条件下颗粒轮廓多为圆球形，是由液相粒子在表面张力作用下凝聚形成的，说明液相粒子比例较高，金属丝沉积能量较少.

图3 不同电极类型下的纳米颗粒TEM照片

Fig.3 TEM images of nanoparticles under different electrode types

利用Nanomeasurer软件统计纳米颗粒分布如图4所示，可以看出，不同电极类型下纳米颗粒粒径分布类似于正偏态分布，主要集中在10～40 nm，平行电极和同轴电极条件下制备的镍颗粒平均粒径分

图4 不同电极类型下的纳米颗粒分布

Fig.4 Particle size distribution of nanoparticles under different electrode types

别为30.91、34.60 nm，说明两种电极下的丝电爆过程均能成功制备金属纳米颗粒，平行电极下制备的纳米颗粒的平均粒径较小，进一步说明此条件下总沉积能量较多，表明改变电极类型能够影响纳米颗粒的能量沉积，进而影响纳米颗粒的平均粒径.

3 结论

1) 研究发现，丝电爆电流中存在幅值很高的电流谐波，谐波沉积能量对金属丝总沉积能量有贡献，能够影响所制备纳米颗粒的平均粒径，且谐波能量占比和电极类型、气隙长度均有关，可以通过改变电参数影响基波和谐波的能量沉积，能够依托丝电爆装置对金属丝沉积能量进行有效控制.

2) 在同轴电极条件下，由于电感较小，基波沉积能量较多；在平行电极条件下，电流谐波峰值较大，谐波沉积能量占比较高，总沉积能量也较多.缩短气隙能减少击穿气隙时的能量消耗，同时减小电流谐波峰值，使谐波沉积能量占比降低，总沉积能量也减小.

3) 平行电极和同轴电极条件下制备的镍纳米颗粒平均粒径分别为30.91、34.60 nm，平行电极下制备的纳米颗粒的平均粒径较小，进一步说明此条件下总沉积能量较多，表明改变电极类型能够影响纳米颗粒的沉积能量，进而影响纳米颗粒的平均粒径.