碰撞速度和碰撞角度對典型材料起電影響

翟維鵬, 胡小鋒, 周帥, 王瑩瑩

(陸軍工程大學石家莊校區 電磁環境效應國家級重點實驗室, 河北 石家莊 050003)

0 引言

當飛行器在空中高速運動時,其表面會與空間中的冰晶、雨滴、塵埃等粒子摩擦和撞擊或者接觸和分離,引起飛行器表面材料與物質粒子之間的電荷轉移,從而在飛行器外表面上形成累積的靜電,即為沉積靜電。飛行器在高空中飛行時產生沉積靜電是個復雜的過程,其受到大氣顆粒物與飛行器的碰撞速度和角度、大氣顆粒物的種類與尺寸、空間流場畸變和環境溫濕度等因素的影響[1-2]。飛行器產生的沉積靜電導致飛行器表面電勢高達幾十萬伏,最大的靜電電量可達10-3C,一旦飛機上的靜電荷積累到一定程度后,會在表面曲率大的部位通過各種靜電放電形式釋放電荷,產生強輻射電場和寬頻譜電磁干擾,影響飛行器通信導航系統及設備的正常工作,嚴重時損壞飛行器供電系統,產生劇烈的放電現象,點燃飛行器攜帶的易燃易爆物,產生不可估量的災難。

飛行器的靜電防護一直是航空航天領域的熱點話題,尤其近些年來,我國航空航天領域不斷向高、向深發展,各種超高速、新式復合材料飛行器的成功研制,給飛行器的靜電防護帶來巨大挑戰。發現并總結飛行器在超高速、復雜空間環境下的起電規律,成為飛行器靜電防護的關鍵一環。目前,針對摩擦起電的研究多以粒子碰撞充電研究為主。1997年,Matsuyama等[3]提出的“電荷弛豫模型”解釋了粒子碰撞過程中沖擊電荷的產生,并初步研究了沖擊速度和沖擊角對沖擊電荷測量值的影響。各國專家學者[4-11]也針對不同種類、不同影響因素下的粒子材料進行了大量的顆粒碰撞/接觸充電試驗研究,得到了相應的結論。2021年,Chowdhury等[12-13]總結了前人提出的多種粒子靜電帶電模型并進行了分析評價,為后續粒子靜電帶電模型的發展與完善提供了思路。國內方面,劉尚合等[14]、朱利等[15]、杜照恒等[16]、鄭會志等[17]、杜照恒[18]設計研制了飛行器蒙皮材料靜電起電地面模擬試驗平臺,對某型飛行器表面材料進行了模擬試驗,得到了蒙皮材料起電量隨時間、相對濕度等因素的變化規律,但是對表面材料沉積靜電影響因素研究較少、機理分析不夠深入。張建平等[19]探索了強電磁場作用下金屬電極靜電放電變化規律,從電磁場誘發靜電放電通道形成過程和放電機理出發,對金屬靜電起放電的機制和規律進行了研究。

本文利用課題組設計研制的高速飛行器表面材料沉積靜電模擬試驗系統和試驗樣品,針對顆粒物與典型材料碰撞速度、角度等因素,對多種試驗材料進行沉積靜電模擬試驗,結合Comsol仿真分析,初步探索得出了典型材料沉積靜電起電隨速度、角度等因素的變化規律,并對起電機理進行分析,為提出飛行器表面材料沉積靜電充電模型提供了理論和實驗基礎。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置及方法

試驗樣品是自制多種材質的樣板,長度為30 cm,寬度為30 cm,厚度為0.2 cm,樣板材質包括絕緣材料(環氧樹脂、聚四氟乙烯、PVC、有機玻璃)和金屬材料(鋁)。絕緣材料試驗樣板內置同等大小的金屬電極板,以測量樣板起電數值。試驗裝置連接示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test setup

試驗前,打開空氣壓縮機對空氣加壓并存入儲氣罐內,向噴出裝置加入定量的顆粒物材料,將試驗樣板放置到絕緣試驗平臺并調整好角度進行固定,通過絕緣試驗平臺底部的導軌裝置調整噴管口與試驗樣板的距離恒定。試驗時,控制儲氣罐內氣體壓強為0.7 MPa,打開儲氣罐閥門,高壓氣體進入噴出裝置,攜帶著預先加好的顆粒物材料從管口噴出,與試驗樣板進行持續碰撞并通過靜電測量儀器測定試驗樣板的起電電壓值。試驗過程中,通過絕緣試驗平臺固定被測材料,并實現材料等效為孤立物,通過改變試驗平臺支架角度來研究碰撞角度與表面材料的起電電壓關系,通過改變噴管口截面積大小控制噴出氣體速度,來研究碰撞速度與表面材料起電電壓關系。為保證系統對地絕緣、減少靜電泄漏,該系統采用環氧樹脂與尼龍相配合制作絕緣試驗平臺。絕緣試驗平臺的主體用尼龍制作,以增加絕緣層的機械強度;在與金屬的連接面,用環氧樹脂隔開,以增加絕緣試驗平臺的絕緣性。采用復合結構的絕緣層,使其在滿足系統機械強度的同時,對地泄漏電阻要足夠大。

在測試表面材料起電電壓與角度的關系時,取空氣顆粒物與材料樣板水平面的夾角為碰撞角度,試驗對20°、30°、45°、60°、70°、80°、90°共7個角度下的起電電壓峰值進行測量,并選取多種材質試驗樣板進行測試,試驗采用德國EFM-023非接觸靜電電壓表,測試模式為表面電壓測量“Dist.=2 cm”,為進行有效分析,每種材質樣板取3塊進行測量,噴出氣體速度設定為55 m/s;在測試表面材料起電電壓與速度的關系時,試驗通過改變噴管口截面積大小來控制噴出氣體速度,對60 m/s、70 m/s、80 m/s、90 m/s、100 m/s、110 m/s共6種速度下的起電電壓值進行測量,設定氣體噴出時間為5 s,并選取多種材質試驗樣板進行測試,試驗采用日本SIMCO FMX-004便攜式非接觸式靜電場測試儀,測試模式為自動測量模式Au,同時每種樣板選取在碰撞角度90°下進行試驗。

為盡可能排除其余因素對沉積靜電起電的影響,試驗測試時,同組試驗數據測試采集均在同一溫濕度條件下進行,同種材質樣板進行多組試驗,每組試驗結束后用SL007高壓離子發生器對樣板進行消除靜電處理。測量試驗數據完畢后,用Origin軟件對不同速度、不同角度下的起電電壓值進行數據整合處理,并運用MATLAB軟件對試驗數據進行擬合計算,結合Comsol仿真計算,分析同一條件下測試數據的變化趨勢,進而研究表面材料沉積靜電起電隨碰撞速度、角度等因素的變化規律。

1.2 試驗結果及仿真

1.2.1 碰撞角度試驗結果及仿真

本輪試驗共采用PVC、聚四氟乙烯、有機玻璃3種材料進行碰撞角度因素影響起電試驗,試驗采用德國EFM-023非接觸靜電電壓表,測試模式為表面電壓測量“Dist.=2 cm”,材料板內置感應金屬電極外接導線至靜電電壓表進行數據測量采集,具體試驗結果如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 PVC起電電壓值隨碰撞角度變化趨勢Fig.2 Variation of PVC electrification voltage value with collision angle

圖3 聚四氟乙烯起電電壓值隨碰撞角度變化趨勢Fig.3 Variation of PTFE electrification voltage value with collision angle

圖4 有機玻璃起電電壓值隨碰撞角度變化趨勢Fig.4 Variation of plexiglass electrification voltage value with collision angle

3塊PVC試驗材料板的起電電壓值與角度的關系見圖2,綜合3塊材料板的起電數據來看,試驗材料板與細沙摩擦后帶正電,最大起電值在80°左右,最小起電值在20°～30°左右。從總體趨勢來看,碰撞角度在70°之前,隨著碰撞角度的增加,起電電壓值也在增加,結合MATLAB軟件擬合分析,電壓值與角度近似呈線性分布,變化趨勢有較好的一致性。

3塊聚四氟乙烯試驗材料板的起電電壓值與角度的關系見圖3,綜合3塊材料板的起電數據來看,試驗材料板與細沙摩擦后帶負電,最大起電值在90°左右,最小起電值在20°左右。從總體趨勢來看,隨著碰撞角度的增加,起電電壓值也在增加,結合MATLAB軟件擬合分析,電壓值與角度近似呈線性分布,變化趨勢有較好的一致性。

3塊有機玻璃試驗材料板的起電電壓值與角度的關系見圖4,綜合3塊材料板的起電數據來看,試驗材料板與細沙摩擦后帶正電,最大起電值在90°左右,最小起電值在20°左右。從總體趨勢來看,1、2號試驗樣板隨著碰撞角度的增加,起電電壓值也在增加,結合MATLAB擬合分析,電壓值與角度近似呈線性分布,變化趨勢有較好的一致性。

在進行模擬試驗的同時進行碰撞角度試驗,利用Comsol軟件進行仿真分析,在固體力學模塊中,仿真模型采用半徑為0.1 m的球;在靜電模塊中,空間顆粒模型采用半徑為0.1 m的兩個半球與高度為0.01 m的圓柱組成的整體,材料選取空中細砂,表面材料采用0.4 m×0.4 m×0.1 m的金屬長方體代替,材料選取合金鋼(鎳鉻鋼),仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of the simulation model

首先利用Comsol固體力學模塊對不同碰撞角度下的接觸面積進行仿真,選取顆粒物上下兩端作為兩個觀察點,對不同角度下的兩個觀察點位置進行仿真,通過對位置做差獲得其位移量,代入接觸面積表達式中獲得接觸面積。接觸面積表達式為

S=π×D×r

(1)

式中:S為顆粒物與表面材料的接觸面積;D為最大位移量;r為顆粒物半徑。

不同碰撞角度下的接觸面積如表1所示,仿真設置顆粒物的碰撞速度為50 m/s。為了實現不同碰撞角度下空間顆粒物與飛行體的碰撞起電,在固體

力學模塊中顆粒物初速度設置中增加一個角度θ即可,初始值設為-50sinθ(m/s)。

將接觸面積代入靜電模塊,通過改變半球的切面大小體現接觸面積的變化。物體間距設為0.000 01 m,獲得不同碰撞角度的起電量如圖6所示。

圖6 不同碰撞角度的起電量Fig.6 Electrification amount of different collision angles

當顆粒與表面材料之間存在碰撞角度時,顆粒與表面材料碰撞后產生的形變量隨著碰撞角度的增大而逐漸增大,對應的接觸面積增大,起電電荷量也增大,在碰撞角度45°之前和之后,起電電荷量與角度均近似呈線性分布,與模擬試驗所得數據總體趨勢一致,但在碰撞角度45°左右的曲線斜率變化并未體現,在一定程度上驗證了模擬試驗的準確性。

1.2.2 碰撞速度試驗結果及仿真

本輪試驗共采用環氧樹脂、黑色PVC和金屬鋁板3種材料進行碰撞速度因素影響起電試驗,試驗采用日本SIMCO FMX-004便攜式非接觸式靜電場測試儀,測試模式為自動測量模式Au,手持測試儀至材料板表面2 cm處進行數據測量采集,具體試驗結果如圖7所示。

圖7 3種材料起電電壓值隨碰撞速度變化趨勢Fig.7 Variation of electrification voltage with collision speed for three materials

由圖7可以看出,環氧樹脂、黑色PVC和金屬鋁板與細沙碰撞后帶正電,在選取的碰撞角度90°時,3種材料樣板的起電電壓值隨速度的增大而增大,3種材料的起電變化趨勢快慢不同,這與材料本身的物理性質有關。經過MATLAB軟件擬合分析,環氧樹脂、黑色PVC和金屬鋁板起電電壓均隨著速度的增加近似線性地增大,其中金屬鋁板的起電變化幅度最大,增長速率最快。

碰撞速度試驗同樣也利用Comsol軟件進行仿真分析,建立的仿真模型同圖5。首先利用Comsol固體力學模塊對不同碰撞速度下的接觸面積進行仿真,仿真方法同碰撞角度仿真方法,得到不同碰撞速度的接觸面積如表2所示。

表2 不同碰撞速度的接觸參數

將接觸面積代入Comsol靜電分析模塊,設置兩物體間距離為0.000 01 m,計算得到不同碰撞電荷量如圖8所示。

圖8 不同碰撞速度的起電量Fig.8 Electrification amount of different collision velocities

隨著顆粒物碰撞速度的增加,顆粒物與表面材料碰撞后產生的形變量逐漸增大,對應的接觸面積增大,起電電荷量也增大,最終導致顆粒物與表面材料碰撞后的起電量隨著碰撞速度的增大呈現接近線性增加的趨勢,與模擬試驗所得多組數據變化趨勢較為一致,很好地驗證了模擬試驗的準確性。

1.3 試驗機理和數據分析

沉積靜電產生的基本過程為:當空氣顆粒物與飛行器表面材料緊密接觸時,電子從等效功函數小的一方出發,通過隧道效應躍過勢壘進入等效功函數大的一方,電子定向移動的結果就形成了靜電電位差,當靜電電位差的作用與功函數的差值抵消時達到平衡,這時兩物體在相對的界面附近分別帶上等量異號的電荷,形成偶電層。然后兩物體進行分離,在分離過程初期,物體界面間的距離d小于臨界距離z0,隧道效應仍然顯著,電荷逸散發揮著主要作用,帶電量隨著距離增大而不斷減小。當d>z0時隧道效應被顯著抑制,此時氣體放電導致的電荷泄露與中和主要影響著帶電量的變化,分離過程結束后,表面材料與空氣顆粒物的帶電量最終確定。飛行器飛行過程中不斷有新的空氣顆粒物與表面材料發生接觸分離起電過程,從而在飛行器表面積累大量電荷形成沉積靜電。

在試驗過程中,發現大多數試驗數據隨著碰撞角度、速度的變化有很好的規律性,隨著碰撞角度、速度的增大,顆粒物與表面材料接觸面積增大,材料起電電壓值與碰撞角度、速度均近似呈線性分布,變化規律同仿真結果較為一致,但是在碰撞角度試驗中,PVC材料碰撞角度較大時試驗數據出現跳躍式變化,在碰撞速度試驗中,試驗所取的3種材料在碰撞角度為90°時均出現了起電電壓值在個別碰撞速度區間突然加快增大的現象。根據前人所做的實驗和研究總結[3,12,20-23],在粒子電荷轉移模型中,碰撞速度的法向分量直接影響著碰撞面積的大小,進而直接影響起電量大小,具體粒子電荷轉移模型如式(2)所示:

(2)

式中:Qi(i=1,2)為粒子碰撞前的電荷;nc為碰撞粒子數量;kc為充電效率;ε0為真空的介電常數;εr為介質的相對介電常數;Vc為粒子與壁之間的接觸電位差;d1、d2分別為粒子1和2的直徑;Ec為作用于碰撞點的電場;Sp為兩個粒子之間的接觸面積,

(3)

mi、νi和Ei為顆粒的直徑、密度、泊松比和楊氏模量,vn為碰撞速度的法向分量。此模型不考慮碰撞速度的切向分量,但實際上碰撞速度的切向分量也起著重要作用,它影響了物體間的接觸模式和沖擊充電效率,過去對滑動和滾動接觸起電的研究表明,滾動接觸比滑動接觸暴露出更大的接觸表面積,導致表面之間的電荷轉移顯著增加。由于滾動產生的額外接觸面積可估算如下:

(4)

式中:vt為碰撞速度的切向分量;Δtc為接觸持續時間。接觸的持續時間也可以從赫茲理論中獲得:

(5)

考慮到法向和切向的碰撞速度,因此總的接觸面積應該由滑動接觸面積和滾動接觸面積共同組成:

Sc=Sp+Sr

(6)

式中:Sc為總接觸面積,包括碰撞速度的法向和切向分量。

與此同時,空氣顆粒物與表面材料的碰撞力隨著碰撞速度的增加而增加,激發了更多的電子從碰撞中釋放出來,產生更多的靜電電荷,因為粒子的碰撞速度越快,粒子的動量越大,產生的靜電電荷越多,從而激發更多的電子從碰撞中釋放出來。碰撞產生的靜電受空氣顆粒物與表面材料的碰撞摩擦力和顆粒的碰撞速度共同影響,取決于二者的平衡作用。

隨著碰撞角度的增大,PVC材料與空氣顆粒物接觸面積中滾動接觸面積所占比例不斷增大,但是切向速度減小,滑動接觸面積減小,碰撞起電效率降低,在兩方面因素的平衡作用下,最終出現PVC材料的試驗結果。在碰撞速度試驗中,碰撞角度較大時,空氣顆粒物與表面材料碰撞面積中滾動接觸面積所占比例較大,隨著碰撞速度的增加,摩擦力增大,接觸面積增大,二者共同影響了單位時間內表面材料起電電荷的轉移。此外,表面材料的性質和粗糙度也是影響其起電的重要因素。

3 結論

本文利用設計研制的高速飛行器表面材料沉積靜電模擬試驗系統,開展了表面材料沉積靜電模擬試驗,研究了空氣顆粒物與表面材料碰撞角度、碰撞速度對起電量的影響,總結了表面材料起電電壓隨碰撞速度、碰撞角度的變化規律,分析了沉積靜電起電機理和試驗數據。得出主要結論如下:

1)PVC、聚四氟乙烯和有機玻璃與細沙摩擦的起電電壓值隨著碰撞角度的增加近似呈線性增大,試驗數據變化規律同仿真結果相一致。

2)環氧樹脂、黑色PVC和金屬鋁與細沙摩擦的起電電壓值隨著碰撞速度的增加近似呈線性增大,試驗數據變化規律同仿真結果相一致。

3)分析試驗數據發現,碰撞速度的法向分量影響著接觸面積和摩擦力,切向分量影響著接觸模式和沖擊起電效率,碰撞角度的改變會影響滾動接觸和滑動接觸所占面積比例,它們共同影響著沉積靜電起電的變化。