淺談發射藥制造中靜電產生機理及控制范文

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摘要：為提升發射藥生產過程的安全性，對其在制造過程中靜電產生機理及控制措施進行研究。通過對發射藥制造過程易產生靜電的主要工序進行分析，根據發射藥制造過程中靜電產生的機理，分別提出了控制發射藥制造過程中接觸帶電、摩擦帶電和升溫帶電的措施，并進行試驗驗證。結果表明：控制靜電產生的主要措施是改變設備表面的功函數，增加導電劑和環境濕度，減少電荷的遷移和使電荷平衡。

關鍵詞：發射藥；靜電；控制措施

引言

靜電是一種處于靜止狀態或不做定向運動的電荷。靜電放電是導致發射藥燃燒爆炸事故發生的主要因素之一。在發射藥制造過程中，制造發射藥所用原料及發射藥藥粒之間和相關設備相互摩擦運動就會產生靜電。由于發射藥是高絕緣性物體，其體積電阻率高達1013Ω•m以上，是電的不良導體，導致發射藥及原材料自我釋放靜電的能力較差，就會使產生的大量靜電不斷被積累。帶有靜電的發射藥和與之有電位差的物體接觸時，就會出現靜電放電現象。當放電能量大于發射藥及其周圍可燃氣體的最小點火能時，就存在引發燃燒爆炸事故的可能性；因此，發射藥制造過程中的靜電現象是造成燃燒、爆炸事故重要原因之一。在發射藥防靜電技術研究方面，國內衛水愛等研究了發射藥生產過程中靜電錐體放電規律[1]，錢仲研究了發射藥生產防靜電問題[2]，董朝陽等研究了發射藥制造中的靜電在線檢測及消除[3]。但國內外對發射藥制造過程中靜電產生的機理和控制方法研究報道較少。國外在含能材料靜電研究方面主要集中在粉體材料的靜電產生與防護研究方面。發射藥制造一般采用溶劑法工藝，主要產生靜電和靜電積累的工序是固體原料加料、烘干及混同包裝工序。筆者分析了溶劑法發射藥制造過程中產生靜電的機理，提出了控制發射藥制造過程中防止靜電危害的措施。

1發射藥制造過程靜電產生的機理

1.1接觸帶電由于物質分子中質子所帶的正電荷數等于核外電子所帶的負電荷數，所以物質在自然狀態下都呈現出電中性，即不帶電狀態。當發生電荷轉移，物體正、負電荷失去平衡時，則成為帶電體。物體產生靜電的過程包括使物體間發生正負電荷轉移并最終導致物體正負電荷平衡被破壞的所有過程[4]。對于發射藥制造過程，固體物料與設備的接觸，發射藥粒之間及與設備的摩擦是產生靜電的主要方式。當2個固體物質(包括顆粒)互相接觸時，電荷會根據2種物質表面的電子或離子的能量不同而從一個物體向另一個物體轉移，并直至達到電荷的平衡[5]。兩者分離后，失去電子的物體帶正電，而得到電子的則帶負電。接觸分離起電是指2種不同性質的物體表面相互接觸并迅速分離后，分別帶上數量相等、電性相反的靜電電荷的過程。量子力學和能帶理論認為，接觸帶電的機理是由于物體接觸表面初始費米能級的差異引起電荷的轉移[6]。費米能級可表示為功函數。功函數是指從物體中發射一個電子所需要的最小能量。當2個物體相互接觸的表面距離小于25μm時，如果它們的功函數有差異，則以此為驅動力，電子會在2個物體接觸面之間發生轉移，最終在接觸面空隙中形成偶電層。當偶電層的電位差補償了兩側物質原始功函數之差時，電子就會停止轉移并達到平衡狀態。此時，若令兩物體快速分離，形成的偶電層無法完全消散，就會使兩物體分別帶上多余的正負電荷，成為帶電體。兩物體的功函數相差越大，偶電層轉移的電荷數量就會越多，接觸面兩邊的電位差就會越大，分離后攜帶的電量也會越多。功函數越小越容易失去電子帶正電荷，功函數越大越容易得到電子帶負電荷。2種物質在靜電序列中相差距離的大小，體現了它們相互接觸之后接觸電位的高低[7]。在發射藥制造過程中，塑化機的物料加料過程是固體物料通過加料器加入塑化機中。固體物料一般為絕緣體，加料器多為金屬導體，兩者的功函數存在差異。固體物料與加料器的接觸摩擦易形成接觸帶電，這就是加料過程中使固體物料產生靜電主要原因。利用斜槽法(鋼槽)對固體材料RDX進行靜電積累試驗，測量固體材料RDX通過不同斜槽長度后靜電電荷積累值，試驗結果見表1。由表可見：隨著斜槽長度增加，固體材料RDX與斜槽的接觸摩擦量增大，使固體材料RDX與斜槽之間接觸分離的次數增多，導致靜電積累量增大。

1.2摩擦帶電摩擦起電本質上與接觸帶電類似，只是物質之間的摩擦使得接觸點增多、接觸面積增大，甚至會使接觸面溫度升高。這些都促進了電荷的轉移，使靜電產生速率更大。無論是相似物質，還是不同物質間都會發生摩擦起電。2個相似物質間產生的電荷可以與不同物質間一樣多[8]。實際上，除2種不同的物質摩擦以外，當同一材料的兩物體分開時，也能夠因摩擦起電而生成基本的靜電電荷。對于絕緣體，由于其中的電子狀態具有空間局域性，即使內部到處都存在低能態的空位，電子仍可被高能態捕獲。摩擦為接觸表面的高能態捕獲電子提供了釋放途徑。當絕緣體顆粒之間摩擦時，為一個表面的高能態電子提供了與另外一個表面的低能態空穴緊密接觸的機會，從而導致了高能態電子向另一個顆粒表面低能態空穴的躍遷。當摩擦接觸雙方發生分離，在分離過程中界接觸面狀態沒有完全消失前，界面能級由于分離力的作用升高，界面處聚集的電荷會遷移回絕緣體，導致兩者分離后每個表面上均留下了剩余電荷，使絕緣體帶電。摩擦起電對摩擦能量和速度最為敏感，所產生的靜電電荷隨摩擦速度增加而增加，摩擦能量對電荷轉移的影響要大于物質性質的影響。這是因為摩擦過程中的動能使得接觸表面電子或離子的能級發生變化，從而影響了電荷的轉移過程。在發射藥制造過程中，混同包裝作業都將使發射藥藥粒之間產生摩擦，使其產生靜電。對發射藥摩擦起電進行試驗，將發射藥粒裝入棉纖維布袋中，測量翻動兩次的間斷摩擦和翻動10次的連續摩擦后的靜電電位，試驗結果見表2。由表可見：摩擦使發射藥的靜電增加，摩擦狀態越劇烈，產生的靜電越大。

1.3升溫帶電物質由原子構成，而原子由帶正電的質子和帶相同負電的電子組成，物質整體顯中性。根據量子力學理論，在單個原子中，電子具有一系列分離的能級。如果物體內含有若干個相同的原子，那么原先每個原子中具有相同能量的所有價電子，現在處于共有化狀態。這些被共有化的外層電子，由于泡利不相容原理的限制，不能處于相同的能級上，這就使得原來相同的能級分裂成若干個和原能級相近的新能級。新能級具有一定能量范圍，形成了不同能級的能帶。在能量較低的能帶中，所有能級均被電子占據，而能量較高的能帶則沒有電子。在絕對零度時，能帶中的電子首先占據能帶中的最低能級，填充滿后再繼續填充次低級的能級，依次類推。當溫度高于絕對零度時，電子會具有一定的熱能，因此有些電子會具有稍高于費米能級的能量，并留下一些稍低于費米能級的空穴。當物質被加熱時，費米能級附近的電子獲得熱能，在兩物體相互接觸面發生電子遷移。兩物體分離后，產生帶電現象。在發射藥制造過程中，發射藥烘干過程是使藥粒加熱過程，由于溫度的作用，使藥粒之間接觸面發生電子遷移，使藥粒產生帶電。對發射藥升溫帶電進行試驗，將發射藥由20℃加熱到60℃，保溫40h，測量加熱前后發射藥的靜電電位，試驗結果見表3。

2發射藥制造過程靜電控制措施

2.1控制接觸帶電的措施兩接觸物體由于得失電子的能力不同，電子由易失去電子的物體表面轉移到相對易得到電子的物體表面，使兩物體的接觸面間產生一個偶電層。若這時兩物體分離，則各自帶了相反的摩擦電荷。在發射藥制造過程中，加入塑化機的固體物料與加料器表面存在接觸分離過程，是產生靜電的重要因素。固體物料與加料器表面接觸是兩不同電介質間的接觸摩擦過程，此時所形成的偶電層電荷面密度可由下式[9]表示：式中：0為真空電容率；1、2分別為固體物料和加料器表面的相對介電常數；e為電子電量；1、2分別為固體物料和加料器表面的偶電層厚度；1、2分別為固體物料和加料器表面的功函數。功函數表示了物體發射一個電子的最小能量。從上式可知：要減少固體物料與加料器表面接觸摩擦產生的靜電，就要使兩者的功函數盡可能一致。可通過對固體物料或加料器表面進行改性材料涂覆，用調整涂覆材料的功函數的大小，使(12)的值趨于零來達到減少靜電產生的目的。對于制式發射藥，其配方組分是確定的，對固體物料進行涂覆將改變發射藥的組分，影響發射藥的性能，而對加料器表面進行改性材料涂覆，在不改變發射藥原料的條件下，是消除靜電的一種實用方法。加料器表面涂覆改性材料前后固體物料靜電變化試驗結果對比見表4。由表可見：通過采用加料器表面涂覆改性材料，使加料器表面涂層得失電子的能力與固體物料得失電子的能力相同或相近，從而減少固體物料的接觸摩擦起電量。

2.2控制摩擦帶電的措施摩擦產生靜電是由于兩物體接觸面發射電子遷移造成的。由于發射藥是絕緣體，發生電子遷移不能使物體所帶正負電荷量達到平衡，導致靜電產生。為減少或消除靜電，就要使物體所帶正負電荷量迅速達到平衡，能產生這種效果的外界因素就是增加物體的導電性。通過對發射藥藥粒表面進行石墨光澤，使發射藥表面具有導電性，減少物體間電荷量的不平衡性，從而減少或消除靜電。在發射藥制造過程中，對發射藥摩擦起電試驗中的發射藥粒加入石墨作為導電劑，將發射藥粒進行石墨光澤后裝入棉纖維布袋中，測量翻動2次的間斷摩擦和翻動10次連續摩擦后的靜電電位，試驗結果見表5。由表可見：在發射藥中則加導電劑，使摩擦對發射藥產生的靜電大幅度減小。

2.3控制升溫帶電的措施物體升溫時，物體內費米能級的電子獲得能量而易于發生遷移。由于發射藥是絕緣體，將導致產生靜電。改變環境條件也可增加發射藥表面導電性。通過提高環境濕度來增加發射藥表面的導電性。當空氣濕度提高時，空氣中的水分子作熱運動，撞擊到物質表面的幾率增大，水分子容易被物體吸收或者附著在表面，形成一層很薄的水膜，由于水分子的強極性以及溶解在水中雜質的作用，可降低物體的表面電阻率。在發射藥制造過程中，將烘干環境的相對濕度由30%提高到75%，試驗結果見表6。由表可見：通過增加環境濕度，使升溫造成的發射藥產生的靜電大幅度減小。

3結論

發射藥制造過程中產生靜電的主要方式是接觸帶電、摩擦帶電和升溫帶電，其機理是發射藥中電荷的遷移導致其正負電荷不平衡而產生的。控制發射藥制造過程中靜電產生的措施是減少電荷的遷移和使電荷平衡的方法。筆者通過改變設備表面的功函數，使之與發射藥功函數相近，從而減少接觸起電；通過增加導電劑減少摩擦起電；通過增加環境濕度減少升溫起電。

參考文獻：

[1]衛水愛,白春華,李春光.發射藥生產過程中靜電錐體放電規律數值模擬研究[J].兵工學報,2017(5):892-899.

[2]錢仲.發射藥生產防靜電問題的研究[J].軍械工程學院學報,2000,12(增刊):143-148.

[3]董朝陽,郭茂林,李國峰.發射藥制造中的靜電在線檢測及消除[J].兵器裝備工程學報,2017(5):27-30.

[4]劉尚合,武占成.靜電放電及危害防護[M].北京:北京郵電大學出版社,2004:127-134.

[6]吳宗漢.基礎靜電學[M].北京:北京大學出版社,2010:102-105.

[7]中國物理學會.靜電起電問題[M].北京:靜電科研組,1980:392-406.

[9]方俊鑫,殷之文.電介質物理學[M].北京:科學出版社,1998:132-137.

作者：張洪林 李洪葉 劉寶民 崔立明 李欣馨 王旭東 單位：遼寧慶陽特種化工有限公司院士工作站