Разрушение твердых диэлектриков в условиях приповерхностного электрического пробоя субмикросекундной длительности

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

А. А. Лукин, В. А. Морозов, Ю. В. Судьенков РАЗРУШЕНИЕ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
В УСЛОВИЯХ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ СУБМИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ*
Введение
Ограниченность традиционных методов разрушения материалов (в частности, горных пород) стимулировала поиск новых высокотехнологичных и высокоэффективных подходов к данной проблеме. Одним из таких принципиально новых способов разрушения непроводящих тел является электроимпульсный способ при экспозиции напряжения длительностью 1 мкс и менее. К настоящему времени накоплен определённый материал по исследованиям в данном направлении [1−3]. Однако информация о параметрах импульсных механических напряжений, возникающих при электрическом разряде в твёрдых диэлектриках, а также о механизме преобразования электрической энергии в механическую крайне мала. О полученных результатах по изучению данного вопроса и сообщается в настоящей работе.
Суть электроимпульсного (ЭИ) способа разрушения твёрдых непроводящих тел (горных пород, руд, искусственных материалов) заключается в использовании эффекта взрывного действия канала разряда при электрическом пробое материала на импульсном высоком напряжении.
1. Экспериментальное исследование разрушения горных пород при однократном электроимпульсном воздействии
Рассмотрим результаты экспериментального исследования разрушения твёрдых диэлектриков в условиях приповерхностного электрического пробоя субмикросекундной длительности. В основу данного способа разрушения положено установленное явление превышения электрической прочности жидких диэлектриков при длительностях высоковольтных электрических импульсов 1 мкс и менее [4]. Разрушение возникает в результате приповерхностного электрического пробоя на границе раздела с жидким диэлектриком. Были проведены экспериментальные исследования параметров импульсных механических напряжений в зависимости от параметров электрического пробоя. Эксперименты проводились с использованием генератора коротких высоковольтных импульсов ГКВИ-300 со следующими параметрами: энергия Е «60 Дж, амплитуда напряжения и = 100 — 300 кВ, амплитуда тока I «2 кА, длительность импульса т = 100 — 300 нс. Блок-схема установки представлена на рис. 1.
Исследовалось разрушение образцов горных пород (габродиабаз, известняк, песчаник, мрамор, глина, парафин) на границе раздела с дистиллированной водой. Исследования проводились на образцах прямоугольного сечения шириной 30 мм, толщиной15 мм и длиной70 мм. Расстояние между электродами составляло 15 мм. Одновременно контролировались ток разряда, импульс электрического напряжения (рис. 2) и смещение поверхности образцов (рис. 3) с помощью интерферометра Майкельсона (рис. 4).
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 06−01−202-а).
© А. А. Лукин, В. А. Морозов, Ю. В. Судьенков, 2008
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки.
1 — генератор коротких высоковольтных импульсов, 2 — камера, 3 — интерферометр Майкельсона, 4 — емкостной делитель напряжения, 5 — трансформатор тока (пояс Роговского), 6 — осциллограф, 7 — образец.
Рис. 2. Характерные осциллограммы: а) осциллограмма импульса напряжения между электродами- Ь) осциллограмма импульса тока разряда- с) временной профиль выделяемой при пробое электрической мощности.
Продольная компонента тензора напряжения, возбуждаемого в образцах при пробое, находилась из соотношения
а 0) = Лреу 0) — (1)
здесь р — плотность материала, с — продольная скорость звука в образце, V — скорость смещения свободной поверхности, А — акустический коэффициент отражения на поверхности образца: А = vпaд/vотр = (р2с2 + р1с1)/(2рхС1), где vпад — скорость частиц
Рис. 3. Типичная интерферограмма и восстановленные параметры движения поверхности образца: а) интерферограмма- Ь) зависимость смещения свободной поверхности образца от времени, Б (?) = (А/2) * N (?), где Л — длина волны лазера, N — число биений- с) зависимость скорости смещения свободной поверхности образца от времени V =.
Рис. 4. Схема измерения смещения свободной поверхности образцов.
1 — камера, 2 — образец, 3 — наложенные электроды, 4 — оптический волновод, 5 — интерферометр Майкельсона, 6 — осциллограф.
материала в падающей на границу раздела сред волне,отр — то же в отраженной волне, Рг, Р2 — плотности сред, а сг, с2 — скорости волн в соответствующих средах.
Изменение механической энергии Ет при распространении упругой волны можно представить в виде
Ет =
11 еп= 2пЯНр^ уп (?)2М, (2)
где еп = роу’П, Уп — нормальная компонента массовой скорости, 5 = 2пЯН — площадь поверхности фронта цилиндрической волны, т — длительность импульса напряжения,
Рис. 5. Фотографии разрушенных образцов.
1 — габродиабаз, 2 — песчаник, 3 — мрамор, 4 — глина, 5 — парафин.
R — расстояние от источника волны напряжения, h — расстояние между высоковольтными электродами. Em — кинетическая энергия, переносимая волной, которая и проявляется при откольном разрушении. Потенциальная энергия деформации не учитывается ввиду ее малости (полная удельная энергия W = W^H + WnoT = pov2/2 + с2 Д р/2ро, где ро -равновесная плотность, v — массовая скорость, с — скорость звука, Др — изменение плотности среды в волне- т. к. Др ^ ро, то WnoT мала).
Используя данные измерения скорости движения тыльной поверхности образцов из выражения (2) получаем оценку механической энергии: Em ~ 1.5 — 2 Дж. Далее определяем коэффициент преобразования электрической энергии в механическую:
Kel-m = Ф~ = 0. 06 — 0. 08.
Eel
При этом электрическая энергия определяется по регистрируемым осциллограммам тока и напряжения.
В экспериментах так же определялась потеря массы образцов m при разрушении. Для различных образцов были поучены оценки удельной энергии разрушения Eef = Eel/ m, где Eei — электрическая энергия пробоя, m — масса удаленного при пробое материала. Приведем значения Eei для исследованных материалов: габродиабаз —
1, 7 * 105 Дж/кг, песчаник — 0,17 * 105 Дж/кг, глина — 1, 05 * 105 Дж/кг, парафин — 5 * 105 Дж/кг.
На рис. 5 представлены фотографии разрушенных образцов.
2. Анализ механизмов преобразования электрической энергии
в механическую энергию разрушения
Проведем анализ механизмов преобразования электрической энергии в механиче-
скую и сделаем оценки их вклада в разрушение на примере одного из представителей горных пород — габродиабаза. Можно выделить три таких механизма: электроупругость, магнитоупругость, термоупругость.
2.1. Электроупругий вклад в разрушение образцов. Оценим согласно работе [5] механическое напряжение в материале, возникающее при приложении высоковольтного напряжения к наложенным электродам (рис. 6):
аЕ = Т^тах (?о — ?о), (3)
где Етах = итах/1 = д-2 = 8 * 106 В/м — максимальное значение напряженности
электрического поля между электродами, итах — амплитуда приложенного к электродам напряжения, I — расстояние между электродами, ?о = 8, 85 * 10−12 Ф/м — электрическая постоянная вакуума, еа = 61, 95 * 10−12 Ф/м -диэлектрическая проницаемость среды. Тогда сте = 1700 Па.
образец
канал
пробоя
электроды
Рис. 6. Схема модели с наложенными электродами.
2.2. Магнитооупругий вклад в напряжение разрушения. Оценим согласно той же работе механическое напряжение в материале, возникающее при прохождении электрического тока в канале пробоя в приповерхностной области разрушаемой среды (рис. 6):
= 17В1 (4)
2 М0 Ма /
где Вт = мо! т/2пг — максимальное значение индукции магнитного поля, 1 т — амплитуда тока разряда, г — расстояние от оси тока до поверхности образца, мо — магнитная постоянная вакуума, ма — магнитная проницаемость среды. В опытах 1 т = 960 А, г = 0. 002 м, мо = 4п10−7 Гн/м. При ма ^ Мо ам = 3700 Па.
2.3. Термоупругий вклад энергии в разрушение материалов. Оценим компоненту механического напряжения термоупругого вклада энергии в разрушение. Для решения задачи предполагаем, что:
а) поглощение энергии в материале однородно,
б) материал остается упругим вплоть до разрушения.
Считаем, что длительность импульса ти электрического тока существенно меньше времени тепловой релаксации тд (тд = Но-характерный размер зоны вкла-
да энергии, р — плотность материала образца, су — удельная теплоемкость материала при постоянном объеме, к — коэффициент теплопроводности). При этом теплоотводом из области энерговыделения за время действия импульса можно пренебречь и считать ввод энергии мгновенным. Тогда связь между объемной плотностью поглощенной
энергии Ея и х-компонентой возникающего в объеме энерговыделения напряжения а (х) линейна [6]:
а (х) = -7Е8(ж), (5)
где 7 = -термодинамическим параметром Грюнайзена- /3 = 3аКт, а — коэффи-
циент линейного расширения, Кт — изотермический объемный модуль сжатия, с — скорость продольного звука, х — координата, с — скорость продольного звука.
Получим оценку а (х) для образца из габродиабаза. Изотермический модуль сжатия (объемный модуль упругости) определим из выражения Кт = з (1^м) — гДе Е — модуль Юнга (Е = 8, 2 * 1010 Н/м2), р = 0, 272- Кт = 6 * 1010 Н/м2- а = 8.3 * 10−6 К-1, су = 740 Дж/(кг*К), р =3 * 103м3/кг, в =1.5 * 106 Н/(К*м2). Найдем параметр Грюнайзена: 7 = = 74о"з*103 = 07. Удельную энергию Ее (х), выделяемую в материале,
определяем следующим образом. По осциллограммам тока и напряжения (см. рис. 2), снятым в процессе разрушения габродиабаза, определяем сначала мощность, а затем полную энергию Е (0(, вложенную в материал. Она составила 3. 51 Дж.
Объем материала, в который вкладывается энергия, определяется геометрией опыта (см. рис. 6):
V ~ 8 * 10−8м3.
Объемная плотность энергии будет
Е3 = = 4.4 * 107 Дж/м3.
Таким образом, компонента механического напряжения термоупругого вклада энергии, идущей на разрушение материала, будет составлять, а = 7ЕЯ =3 * 107 Па.
Проведенные оценки показывают, что основной вклад в разрушение материалов вносит тепловой механизм пробоя.
3. Разрушение горной породы — габродиабаза — при многократном электроимпульсном нагружении
Была проведена серия экспериментов по разрушению горной породы — габродиабаза- электроимпульсным способом. Задачей экспериментов являлось определение при данной амплитуде напряжения числа экспозиций, вызвавших видимое откольное разрушение поверхности образца, которое контролировалось после каждой экспозиции. В процессе проведения опытов измерялись две основные характеристики: осциллограмма высоковольтного напряжения, подводимого к электродам, и осциллограмма тока пробоя. Все осциллограммы одновременно записывались на осциллограф Текгошх ТБ8 2012 и, далее, на ЭВМ производилась их обработка с целью определения мощности и удельной энергии, вложенной в материал образца. После этого оценивалось механическое напряжение от термоупругого вклада энергии. Полученные данные сведены в нижеследующую таблицу и построен график зависимости числа экспозиций N от напряжения (рис. 7), при котором реализовалось разрушение.
N опыта Число экспозиций N Напряжение & lt-т, Па
1 4 1,40*108
2 6 8,23*10у
3 5 3,90*10у
4 8 1,30*10'-'-'-
5 17 2,25*107
о Н-----1----1-----«----1-----¦----1-----------1----¦-----1----1-----1
О 10 20 30 40 50 60
с, 107Па
Рис. 7. График зависимости числа экспозиций N от напряжения а.
Заключение
Проведённое исследование показало, что при высокоскоростном импульсном нагружении материалов электроразрядным способом, как и при любом кратковременном импульсном нагружении, существует принципиальное отличие прочностных свойств образцов от аналогичного процесса при медленных квазистатических воздействиях. Задача может быть разрешена, например, на основе структурно-временного подхода, учитывающего кинетические процессы формирования макроразрывов [7−9].
В условиях проведенных нами экспериментов выявлено, что при электроразрядном импульсном нагружении образцов горных пород основной вклад в разрушение вносит тепловой механизм пробоя.
В разрушаемых образцах всегда имеется некоторое статистическое распределение трещин, длинных и коротких, с которыми волна напряжения взаимодействует. Длинноволновые составляющие импульса напряжения из его спектрального разложения взаимодействуют с относительно длинными трещинами и, наоборот, коротковолновые — с короткими, т. е. вначале идёт подготовительный этап разрушения.
Далее, при следующих экспозициях происходит, видимо, прорастание магистральных трещин, что приводит к отколу на поверхности образца. Как видно из приведённой на рис. 7 зависимости, при малых напряжениях число экспозиций, приводящих к разрушению, резко возрастает. С увеличением амплитуды импульса напряжения число экспозиций убывает, стремясь к 1, что соответствует динамическому порогу разрушения. В нашем случае эта величина составляет порядка 550 МПа.
Результаты проделанной работы по разрушению твердых диэлектриков электрораз-рядным способом продемонстрировали возможность практического применения данного высокотехнологичного и высокоэффективного способа разрушения при сравнитель-
но малых энергозатратах, связанных с возможностью многократного малоамплитудного импульсного воздействия с применением уже имеющихся малогабаритных высоковольтных генераторов.
Литература
1. Петров Ю. В. Критерий инкубационного времени и импульсная прочность сплошных сред: разрушение, кавитация, электрический пробой // Доклады Академии Наук, 2004. Т. 395, № 5. С. 1−5.
2. Петров Ю. В., Глебовский П. А. Критерий инкубационного времени в задачах импульсного разрушения и электрического пробоя // ЖТФ, 2004. Т. 74. Вып. 11. С. 53−57.
3. Морозов Н. Ф., Петров Ю. В., Смирнов В. И., Кривошеев С. И. Прогнозирование динамической вязкости разрушения горных пород // Проблемы механики деформируемых твердых тел и горных пород. М.: Физматлит, 2006. С. 484−496.
4. Воробьёв А. А., Воробьёв Г. А., Чепиков А. Т. Закономерность пробоя твёрдого диэлектрика на границе раздела с жидким диэлектриком при действии импульса напряжения. Свидетельство на открытие №А-122 от 29. 04. 1998 с приоритетом от 14. 12. 1961.
5. Ленк А. Электромеханические системы: Системы с распределенными параметрами / Пер. с нем. М.: Энергоиздат, 1982.
6. Oswald R. B., Schallhorn D. R., Eisen H. A. IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. NS-15. N 6. 1968.
7. Петров Ю. В. // Доклады Академии Наук, 1991. Т. 321, № 1. С. 66−68.
8. Morozov N., Petrov Y. Dynamics of Fracture. B.- Heidelberg- N. Y.: Springer, 2000.
9. Морозов Н. Ф., Петров Ю. В., Уткин А. А. // Доклады Академии Наук, 1990. Т. 313, № 2. С. 276−279.
Статья поступила в редакцию 1 ноября 2007 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой