Способ определения чувствительности легковоспламеняющихся диэлектрических материалов к разрядам статического электричества

 

Использование: изобретение относится к технике обеспечения пожаровзрывобезопасности производства при использовании диэлектрических легковоспламеняющихся материалов и может быть использовано при оценке чувствительности к зажигающему воздействию разряда статического электричества (СЭ) с их поверхности. Сущность изобретения: в предложенном способе учитываются особенности разряда СЭ с диэлектрической поверхности, когда функции одного из электродов разрядного промежутка выполняются непосредственно заряженной поверхностью материала и ионизованной приграничной областью. Электрическое поле и форма разряда в разрядном промежутке могут быть любыми и зависеть от геометрии второго электрода и величины разрядного промежутка, мощность и энергию разряда можно регулировать длительностью и амплитудой фронта импульса напряжения и их числом, разряд зажигается и горит на фронте импульса высокого напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к технике обеспечения пожаровзрывобезопасности производства при использовании легковоспламеняющихся диэлектрических материалов и может быть использовано при оценке чувствительности к зажигающему воздействию разряда статического электричества (СЭ) с их поверхности.

Одной из особенностей разряда с диэлектрической поверхности является то, что функции одного из электродов (анода или катода) разрядного промежутка выполняются непосредственно заряженной поверхностью и ионизованной приграничной областью. Под действием приэлектродных процессов, таких как интенсивная электронная и ионная бомбардировка, ударная ионизация и т.п. происходят эрозия поверхности, образование нестабильных химически активных продуктов и другие изменения физических и химических характеристик поверхностного слоя. В зависимости от формы и распределения электростатического поля зарядов СЭ, величины диэлектрической проницаемости и удельной проводимости реальных диэлектриков при разрядах СЭ в широких пределах изменяется величина энергии, выделяемой в поверхностном слое, и, соответственно, интенсивность приэлектродных процессов.

Для таких материалов, как, например, взрывчатые вещества, твердые ракетные топлива поверхностный слой является областью основной активности, определяющей условия их воспламенения, и процессы в этой области могут оказывать заметное влияние на условия и, соответственно, величину минимальной энергии воспламенения.

Энергетические процессы и характеристики разрядов, происходящих при разрядке СЭ с диэлектрических поверхностей, наиболее полно воспроизводятся при разрядах в газовом промежутке ячейки, образованной двумя металлическими электродами, покрытыми (один или оба) диэлектриками.

Ячейки и разряды в них широко используются для исследования влияния разрядов в диэлектрических полостях на надежность и электрическую прочность изоляционных материалов в сильных периодически изменяющихся однородных электрических полях [1] Соответствующие поля и условия для разряда в зазоре ячейки создаются источниками высокого синусоидального напряжения промышленной или повышенной частоты без регулировки длительности действия напряжения.

Однако источники высокого напряжения без регулировки длительности действия напряжения в пределах от одного до нескольких сотен периодов его повторения практически не позволяют определить величину минимальной энергии воспламенения веществ, если она соизмерима с энергией разряда за один период, а ячейки с однородным полем не учитывают особенностей разрядов СЭ в неоднородных полях.

Известен способ оценки пожаровзрывоопасности разрядов СЭ, использующий искровой разряд между металлическими электродами, расположенными у поверхности испытуемого материала [2] Этот способ принят за прототип. Искра в этом способе действует на материал в основном как источник тепла (нагретое тело), температура которого значительно превышает температуру воспламенения испытуемого материала. По величине минимальной энергии, выделившейся в разрядном промежутке и способной воспламенить испытуемый материал, судят о чувствительности его к разряду СЭ. Такие разряды также называют конденсаторными.

К недостаткам способа, основанного на использовании конденсаторного разряда, относятся: отсутствие в области основной активности испытуемого материала электрофизических и электрохимических процессов, сопровождающих разряд с диэлектрической поверхности и определяющих величину и распределение энергии в разрядном промежутке, отсутствие зарядов СЭ на поверхности испытуемого материала, большая часть энергии такого разряда поглощается окружающей средой и металлическими электродами.

Задачей заявляемого способа является определение чувствительности легковоспламеняющихся диэлектрических материалов к разрядам СЭ с их поверхности путем реализации условий возбуждения электрических разрядов в диэлектрической полости, моделирующих разряды СЭ с диэлектрических поверхностей, и определения минимальной энергии воспламенения образцов этих материалов при разрядах в полости.

Поставленная задача решается путем создания разряда в промежутке, образованном проводящими электродами, один из которых покрыт исследуемым материалом, воспламенение материала выделившейся при этом энергией, измерение выделившейся энергии, определение ее минимальной величины, при которой произошло воспламенение, и использование импульсного источника высокого напряжения с регулируемыми амплитудой и формой импульса. При этом мощность и энергия разряда определяются параметрами импульса, величиной разрядного промежутка, геометрией и электрофизическими параметрами исследуемого материала. Геометрией второго, не покрытого диэлектриком электрода в широких пределах изменяется степень однородности электрического поля в промежутке. Процесс горения поддерживают при росте напряжения на электродах на фронте импульса высокого напряжения.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что имеется возможность: моделирования разрядов СЭ с поверхности исследуемого материала, формирование любого электрического поля и формы разряда, зажигания и горения разряда на фронте импульса высокого напряжения, регулирования мощности и энергии разряда длительностью фронта, амплитудой импульса напряжения и числом импульсов.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Один из электродов покрывают диэлектрическим исследуемым материалом, благодаря этому достигается возможность возбуждения и разрядки зарядов СЭ непосредственно с поверхности исследуемого материала, выбором геометрии (плоскость, шар, острие и т.д.) электродов обеспечивается возможность изменения в широких пределах степени однородности (неоднородности) электрического поля, использованием источника высокого напряжения с регулируемыми параметрами обуславливается возможность осуществления разряда на фронте импульса, осуществления одиночного разряда, регулирования и изменения числа импульсов, что невозможно выполнить в случае конденсаторного разряда.

При изучении соответствующей техники не было выявлено преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, обеспечивающими возбуждение электрических разрядов в диэлектрической полости, моделирующих разряды СЭ с диэлектрических поверхностей, и определение минимальной энергии воспламенения образцов этих материалов при разрядах в полости.

Таким образом, заявляемый способ имеет изобретательский уровень.

Изобретение может быть использовано при разработке РДТТ, боеприпасов для решения проблемы обеспечения безопасности изготовления и эксплуатации их при воздействии разрядов СЭ. Зачастую в конструкциях таких изделий возможно накопление и разрядка СЭ в диэлектрических полостях. Опасность воздействия таких разрядов, как правило, проверяется по специальным программам и нормативным документам на натурных испытаниях, что связано как со значительными материальными затратами, так и с большей опасностью разрушения испытательного оборудования. Использование данного изобретения позволяет исключить проведение натурных испытаний за счет моделирования условий эксплуатации и исследования воздействий различных уровней энергии как одиночного разряда так и серии. Кроме того, при использовании способа определения чувствительности материала к электрической искре минимальную энергию воспламенения определяют из соотношения: W_min k ˙ W, где k коэффициент потерь энергии, W полная энергия разряда конденсатора.

На практике в каждом конкретном случае коэффициент определяют экспериментально и нередко с большой ошибкой, что ведет к значительным ошибкам в определении W_min. Предлагаемый способ позволяет исключить определение коэффициента потерь и измерять непосредственно энергию разряда.

На фиг.1 схематически представлен разрядный промежуток, моделирующий разряды СЭ; на фиг.2 одиночный импульс напряжения между электродами и зависимость величины заряда СЭ поверхности образца от времени; на фиг.3 стилизованная вольт-кулонная характеристика для заряда электрода, покрытого диэлектриком.

Разрядный промежуток образован электродами 1 и 2. Электрод 1 покрыт образцом 3 исследуемого материала. На фиг.2 показана кривая 4 зависимости изменения напряжения между электродами 1 и 2 и соответствующая этому напряжению кривая 5 зависимости заряда на поверхности диэлектрика от времени.

Если при увеличении напряжения источника, подключенного к электродам 1 и 2, напряженность поля в газовом зазоре между электродом 2 и поверхностью образца 3 достигает значений электрической прочности среды Е_пр, то в зазоре начинаются ионизационные процессы. Интенсивность и характер этих процессов определяются распределением электрического поля в зазоре. Заряженные частицы, электроны и ионы, образующиеся в газовом разряде, перемещаются под действием поля, осаждаясь на поверхности образца и снижая напряженность поля до значений, меньших Е_пр.

Разряд в зазоре прекращается при прекращении роста напряжения. Основываясь на результатах исследования процессов в диэлектрической полости при синусоидальном напряжении, можно принять, что при увеличении U > U_p, максимальная напряженность и разность потенциалов между электродом 2 и поверхностью образца остаются неизменными. Приращение напряжения ΔU U U_р соответствует увеличению напряжения и напряженности поля в образце вследствие увеличения заряда на его поверхности. Зарядка поверхности сопровождается разрядами и ионизационными процессами как в газовом зазоре, так и вдоль поверхности образца.

Значение U_р равно напряжению между электродами, соответствующему напряжению зажигания разряда в зазоре при отсутствии заряда на поверхности образца. Значение тока разряда и мощность, выделяемая в разрядном промежутке, определяется скоростью изменения заряда поверхности, зависящей, в свою очередь, от скорости изменения напряжения между электродами. Время разряда равно длительности τ_ф фронта импульса напряжения. Полная энергия разряда пропорциональна приращению напряжения ΔU и максимальному значению Q_m заряда 5 и определяется экспериментально по осциллограммам напряжения и тока разряда или вольт-кулонной характеристики (фиг.3).

При однородных или слобонеоднородных полях значение напряжения U_oпри Q 0 на вольт-кулонной характеристике (фиг.3) равно напряжению горения разряда в зазоре, т.е. разности потенциалов между электродом 2 и поверхностью образца.

Можно показать, что величина потерь энергии W_o при зарядке единицы поверхности образца воздействием единичного импульса напряжения в первом приближении равна W_o C_o ˙ U_o ˙ (U_m U_o), (1) где С_о емкость единицы поверхности заряженного образца; U_о напряжение горения разряда в зазоре; U_m максимальное значение напряжения.

Полагая при предварительных оценках U_o равным напряжению зажигания разряда в зазоре, получим U_o Е_пр ˙ d, где Е_пр электрическая прочность среды в зазоре, d величина зазора, С_оε_o ˙ ε_г / Δ здесь ε_о абсолютная диэлектрическая постоянная, ε_г относительная диэлектрическая проницаемость вещества образца, Δ толщина образца.

Для практически возможных значений U_o 3 кВ (d ≃ 0,1 см, окружающая среда воздух при нормальных условиях; Е_пр ≃ 30 кВ/см), С_о≃ 6 пкФ (Δ= 0,1 см, ε_г ≅ 7,0) и U_m 25 кВ из уравнения (1) получим W_o ≃ 4 мДж/см, т.е. по порядку величины W_o равно энергии, запасаемой в электрическом поле заряда СЭ, приходящегося на единицу заряженной поверхности.

Для идеального диэлектрика с проводимостью, равной нулю, уравнение (1) может быть представлено в виде: W_om ε_o ˙ ε_г ˙ U_o ˙ E_{пр. o}, где Е_пр.о. электрическая прочность идеального диэлектрика, а величина максимального значения напряжения будет
U_mпр U_o+E_пр.o·Δ и, например, при U_о 3 кВ, Δ 0,2см, Е 150 кВ/см получим U 33 кВ.

Изменение энергии разряда от 0 до W_о осуществляется изменением максимального значения импульса напряжения в пределаx U_p ≅ U_m ≅ U_mпр. Увеличение энергии, выделяемой в разрядном промежутке, достигается частотным режимом с регулированием времени работы генератора импульсных напряжений. При частотном режиме работы для разрядки образца после каждого импульса необходимо на спаде импульса напряжения сформировать напряжение обратной полярности с максимальным значением ≥ U_р.

Для реальных диэлектрических материалов, обладающих конечной проводимостью, потери энергии обусловлены как процессами в разрядном промежутке, так и током проводимости в образцах. При постоянной времени материала образца τ ρ ˙ ε_o ˙ ε_г, где ρ удельное сопротивление материала, меньшей значения τ_ф импульса напряжения, величина потерь энергии в образце может быть соизмерима с энергией разряда в зазоре и для оценки потерь энергии необходимо одновременное осциллографирование напряжения и тока разрядного промежутка.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ К РАЗРЯДАМ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА, включающий создание разряда в промежутке, образованном проводящими электродами, один из которых покрыт исследуемым материалом, и воспламенение материала выделившейся при этом энергией, измерение выделившейся энергии и определение ее минимальной величины, при которой произошло воспламенение, отличающийся тем, что процесс горения поддерживают при росте напряжения на электродах на фронте импульса высокого напряжения, при этом электрическое поле в межэлектродном промежутке и форму разряда формируют путем выбора размеров и геометрии непокрытого исследуемым диэлектриком электрода и размерами межэлектродного промежутка, причем мощность и энергию разряда регулируют путем выбора длительности фронта импульса, его амплитуды и числа импульсов напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3