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金属液滴溅射侵蚀

发布日期:2018-01-02 15:21:21 【关闭】
摘要:在直流大功率继电器类开关电器中,金属液滴溅射是指在直流电弧作用下,触头材料以熔融金属小液滴的形式脱离触头表面的一种现象。金属液滴溅射是一个极为复杂的物理过程,涉及触头材料的传热、液态金属流动、非平衡态电弧放电等离子体物理问题,液态金属液滴溅射是电弧热-力共同作用的结果

   在直流大功率继电器类开关电器中,金属液滴溅射是指在直流电弧作用下,触头材料以熔融金属小液滴的形式脱离触头表面的一种现象。金属液滴溅射是一个极为复杂的物理过程,涉及触头材料的传热、液态金属流动、非平衡态电弧放电等离子体物理问题,液态金属液滴溅射是电弧热-力共同作用的结果:直流电弧热的作用向触头注入能量使材料熔化形成熔池,直流电弧与熔池过渡区内多个力的综合作用驱使熔池中液体金属流动,形成流速场。当熔池中局部的液体金属流速超过一定值时,其中的液态金属将以小液滴的形式从金属熔池内飞散出去,即发生了金属液滴溅射现象。金属液滴溅射造成的触头侵蚀随分断电流的增加而严重,当电流在几十安培以上时,金属液滴溅射侵蚀成为主要的侵蚀模式,金属液滴溅射侵蚀会恶化触头的电接触性能,大幅度缩短直流大功率继电器类开关电器的触头电寿命。文献考虑了导致液态金属液滴喷溅的各种力的因素,将喷溅分为“中心喷溅”和“边缘喷溅”,并认为在电流较小时,电磁力弱,熔池受到的压力是中心区域最大的,可使得熔池中心区域塌陷而边缘凸起,由此形成与轴线成较大角度的液态金属液滴喷溅,即为边缘喷溅;当电流较大时,则熔池中心受到拉力,边缘受到挤压,从而产生与轴线成小角度的中心喷溅。但是文献则认为在继电器触头分断电弧过程中电弧力的骤增、骤减才是导致金属液滴在熔池边缘射出、金属液滴在中心喷溅的根本原因。文献研究分析了金属液滴中心喷溅液滴喷射过程,发现液滴是熔池液态金属喷流与电弧等离子体相互作用后爆炸形成的,并建立的相应的简化数学模型如图 3 所示。可见,相关研究的结论并不一致,金属液滴喷溅的机理问题还需进一研究,尤其是考虑磁场作用下的金属液滴溅射问题。

  

gooxian-金属

gooxian-金属液

   示,该研究成果研究了热通量、压力对熔池液面形变过程的影响规律,将其分为无溅射、惯性溅射和积极溅射三种不同的模式。但是该研究是针对真空电弧进行的计算,计算过程对电弧作用的处理较为简化,将电弧简化为热通量和压力两项,不能充分反应电弧的侵蚀作用,相关结果不能直接应用于继电器中气体电弧的情形。

  F. Pons[21]基于机械能守恒原理研究了金属液滴溅射发生的临界条件,并给出溅射金属液滴的尺寸及总喷溅量。文献[10]分析了继电器中直流电弧热的作用对溅射的金属液滴最终状态的影响,研究发现金属熔池内溅射出的熔融金属液滴的最终状态可划分为四种情形:液滴最终落在电弧区域以外、熔池内、熔池外(电弧区域中)和未能抵达对面电极,考虑电弧热作用下喷溅液滴最终状态的示意图如图 5 所示。此外,该研究还在机械能守恒原理的基础上,建立金属液滴喷溅侵蚀的数学模型,计算得到了不同电流下的喷溅侵蚀率和喷溅初速度等特性参数。不足之处是该研究中假设相对较多,仿真结果与试验数据相比误差较大。

  

gooxian-电弧热作用

   吴细秀等[22]采用数理统计的方法提出了两种金属液滴喷溅侵蚀的理论模型:基于能量涨落的喷溅侵蚀模型和基于概率统计的喷溅侵蚀模型,其中基于能量涨落的喷溅模型指出:金属液滴喷溅是熔池内流动的局部液态金属的动能与表面张力束缚能的竞争的结果,只有当金属液滴的动能超过了金属熔池的表面张力束缚能才能发生喷溅侵蚀现象。此外,该研究还分析了金属熔池的受力及触头材料粘滞系数对材料喷溅量的影响。到目前为止,相关文献在喷溅机理上还没有统一的认识。不同文献根据各自一定的假设条件建立的描述电弧喷溅侵蚀的模型都有局限性,不具备广泛的适用性,深入研究、发展准确的电弧喷溅侵蚀模型,对提高直流大功率继电器类开关电器的分断性能非常必要。

  

 

  

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