一种增强放电等离子体辐射以驱动增强材料的方法

技术领域

本申请属于冲击波产生技术领域，具体涉及一种增强放电等离子体辐射以驱动增强材料的方法。

背景技术

矿产资源是经济社会发展的重要物质基础，目前无论是金属矿产、非金属矿产或是建筑石料，均因其硬度大，导致常规工具存在开采困难等问题，因此在实际开采中主要采用炸药爆破的方式。虽然炸药等火工品在破岩作业中有较大的技术优势，但炸药爆破破岩不仅对生产人员的生命安全构成严重威胁，而且还存在环保性差的缺点，导致了使用炸药进行破岩开采受到的管制越来越严格，进而使得矿产资源的开采受到了制约。各种岩性巷道掘进汇总，因岩石的硬度高，导致盾构机的工作进度缓慢，需要对工作面岩石进行工程预裂。火工品在岩石工程预裂中不仅安全性差，管制也非常严格，导致工作效率大幅降低。

专利“一种金属丝电爆炸放电等离子体驱动含能混合物产生水中冲击波的方法”(公开号：CN108180003B)和专利“一种高压放电驱动含能电极释放能量产生冲击波的方法”(公开号：CN105674818B)提出了以对金属丝短路放电致使金属丝电爆炸形成放电等离子体电弧，以放电等离子体辐射产生驱动以氧化反应释放能量的含能材料产生冲击波的方法。专利“一种用于产生冲击波的破岩棒及其制作方法”(公开号：CN111472772A)、“一种用于产生可控冲击波的复合型破岩棒及其制作方法”(公开号：CN111472774A)、“一种用于产生冲击波的液体破岩棒及其制作方法”(公开号：CN111472771A)、“一种用于产生可控冲击波的复合液体破岩棒及其制作方法”(公开号：CN111472773A)分别介绍了金属丝放电等离子体驱动各种含能材料产生冲击波的方法。这些专利中，均是以脉冲功率源储存的电能通过金属丝放电转为放电等离子体能量驱动增强材料以增强金属丝放电所产生的冲击波。

金属丝放电产生冲击波的技术区别于化学爆炸产生冲击波的技术，金属丝放电更加环保、安全。但实际应用中，金属丝放电驱动容易释放能量的氧化反应，不仅需要脉冲功率源具有足够的储能量，也要求金属丝材质和结构尺寸达到设定的参数，从而保证冲击波的强度。当驱动反应阈值更高、更为钝感的反应时，不得不采用更大体积的脉冲功率驱动源，同时对金属丝的参数要求更高，因此存在金属丝加工难度大、以及脉冲功率驱动源体积大，而导致金属丝放电驱动效果差、效率低，甚至难以起爆等问题，从而使金属丝放电产生冲击波的使用受到限制。

发明内容

本申请实施例通过提供一种增强放电等离子体辐射以驱动增强材料的方法，解决了现有技术中金属丝放电产生冲击波存在驱动效果差的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种增强放电等离子体辐射以驱动增强材料的方法，包括以下步骤：

对金属丝进行短路放电，产生放电等离子体；

所述金属丝表面敷设的增强辐射物质提升所述放电等离子体的温度和辐射强度；

增强后的所述放电等离子体驱动所述增强辐射物质外包敷的增强材料反应并产生冲击波。

进一步地，所述增强辐射物质包括石墨烯、稀土发热材料或稀土上转换材料。

进一步地，所述增强辐射物质为稀土上转换材料；

所述金属丝表面敷设的所述增强辐射物质对所述放电等离子体的辐射频谱进行调控，使所述放电等离子体的辐射频谱与所述增强材料的吸收频谱匹配，同时增强放电等离子体与所述增强材料吸收频谱接近的谱段的辐射能。

第二方面，本发明实施例还提供了一种将增强辐射物质涂敷在金属丝表面的方法，采用上述的增强辐射物质，包括以下步骤：

选取粉状增强辐射物质；

将所述增强辐射物质和粘接剂混合均匀，得到增强辐射涂剂；

将增强辐射涂剂均匀涂敷在金属丝的表面，并使所述增强辐射涂剂达到设定的厚度，从而完成所述金属丝表面的增强辐射物质的敷设。

所述增强辐射物质还包括聚乙烯。

第三方面，本发明实施例还提供了一种将增强辐射物质涂敷在金属丝表面的方法，采用上述的增强辐射物质，包括以下步骤：

选取薄膜状的增强辐射物质；

将所述增强辐射物质包裹在金属丝的表面，使所述增强辐射物质达到设定的厚度，从而完成所述金属丝表面的增强辐射物质的敷设。

第四方面，本发明实施例还提供了一种能够增强放电等离子体辐射的冲击棒，包括外壳、金属丝、增强辐射物质和增强材料，所述外壳为两端封闭的中空直管；所述金属丝沿所述外壳的轴线设置，且其两端伸出所述外壳并固定安装，所述增强辐射物质敷设在所述金属丝的表面，所述增强材料填装在外壳内。

进一步地，能够增强放电等离子体辐射的冲击棒，还包括同轴套装在所述外壳内的内管，所述内管为两端封闭的中空直管，所述金属丝穿过所述内管；所述增强材料填装在所述内管和所述外壳之间；

所述内管内装填粉状含能材料。

进一步地，所述金属丝的直径为0.3～3mm，所述金属丝的材质为钨、钽、镍铬合金或铝镁合金；

所述增强材料为猛炸药、烟火剂、铝热剂、含氯材料和铝粉、或者含溴材料和铝粉。

进一步地，所述增强材料为固体，所述增强材料包括质量分数为60％-80％的聚四氟乙烯和20％-40％的铝粉，所述铝粉的粒度为亚微米级到微米级。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供了一种增强放电等离子体辐射以驱动增强材料的方法，通过增强辐射物质可以提升放电等离子体的温度和强度，从而在同等储能量的脉冲功率驱动源的条件下，金属丝放电易于驱动增强材料反应并产生冲击波，进而可减小冲击波预裂岩石的设备的体积和重量；采用本发明的方法还可在产生同等强度的冲击波条件下，减小脉冲功率源的储能量，进而减小了脉冲功率源的体积和重量，解决了通过金属丝放电产生冲击波存在电储能密度较低的缺点，因此本发明的方法利于工业化应用，同时该方法避免了因增强材料反应阈值更高、更为钝感而导致金属丝放电驱动效果差、效率低，甚至更难以起爆等问题，采用本发明的方法产生冲击波时效率高、安全性高，因此能够满足矿产资源的开采、岩性巷道的掘进等更多的场合、领域的施工需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的增强放电等离子体辐射以驱动增强材料的方法流程图。

图2为本发明实施例提供的能够增强放电等离子体辐射的冲击棒的结构示意图。

附图标记：1-金属丝；2-增强辐射物质；3-增强材料；4-外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的增强放电等离子体辐射以驱动增强材料的方法，包括以下步骤：

对金属丝1进行短路放电，产生放电等离子体。

金属丝1表面敷设的增强辐射物质2提升所述放电等离子体的温度和辐射强度。

增强后的放电等离子体驱动增强辐射物质2外包敷的增强材料3反应并产生冲击波。

本发明通过增强辐射物质2可以提升放电等离子体的温度和强度，从而在同等储能量的脉冲功率驱动源的条件下，金属丝1放电时易于驱动增强材料3反应并产生冲击波，进而可减小冲击波预裂岩石的设备的体积和重量；采用本发明的方法还可在产生同等强度的冲击波条件下，减小脉冲功率源的储能量，进而减小了脉冲功率源的体积和重量，解决了通过金属丝1放电产生冲击波存在电储能密度较低的缺点，因此本发明的方法利于工业化应用，同时该方法避免了因增强材料3反应阈值更高、更为钝感例如以非氧化反应释放能量的氟化反应而导致金属丝1放电驱动效果差、效率低，甚至更难以起爆等问题，采用本发明的方法产生冲击波时效率高、安全性高，因此能够满足矿产资源的开采、岩性巷道的掘进等更多的场合、领域的施工需求。

本发明的方法只有在高达80kA以上的强大电流且持续50μs以上时，才能使金属丝1产生放电等离子体并产生更强的冲击波，因此通过该方法的使用，过程安全性高，进而保证矿体能够被充分地开采，同时避免了火工品爆破时不易控制而引发的安全问题。本发明较现有技术能够减小驱动金属丝1产生放电等离子体时的电流和持续时间，因此降低了设备性能的要求，同时进一步提高了冲击波产生过程中的安全性。

本实施例中，所述增强辐射物质2包括石墨烯、稀土发热材料或稀土上转换材料。

增强材料如石墨烯、稀土发热材料或稀土上转换材料是易于被放电等离子体电离产生更多等离子体的材料，所以可以起到增强辐射的作用。通过金属丝产生放电等离子体，产生的放电等离子体驱动更难被电离的增强辐射物质2进一步产生放电等离子体，通过增加能够产生放电等离子体的材料的质量，因此更易于驱动增强材料反应并产生冲击波，避免了采用常规技术方案(例如增加金属丝体积)而存在驱动电流大甚至不能被驱动的问题，采用本发明的方法产生冲击波时效果好、效率高。

本实施例中，所述增强辐射物质2为稀土上转换材料。

金属丝1表面敷设的增强辐射物质2对所述放电等离子体的辐射频谱进行调控，使所述放电等离子体的辐射频谱与增强材料3的吸收频谱匹配，同时增强放电等离子体与所述增强材料3吸收频谱接近的谱段的辐射能。

放电等离子体驱动增强材料3产生冲击波的物理过程中，其紫外段辐射作用最大。实际施工中，调整金属丝1电爆炸产生的放电等离子体的辐射频谱时，可采用稀土上转换材料，稀土上转换材料是一种近红外光激发下能够产出紫外/可见光的材料，即将红外低能光子转换为紫外/可见高能光子的发光材料，即能够产出本发明需要的紫外段辐射。

金属丝1放电产生的放电等离子体受脉冲功率驱动源和金属丝1材质、结构尺寸的限制，有最佳值，但是，这样的最佳值仍然不符合驱动要求时，就无法通过常规手段驱动增强材料3产生冲击波。利用稀土上转换材料，以放电等离子体驱动稀土上转换材料，将放电等离子体的可见光、红外段辐射频谱向紫外部分转移，从而可以提高驱动效率。进而实现稀土材料转换放电等离子体的辐射频谱的目的，使放电等离子体的辐射频谱与增强材料3的吸收频谱更接近，进而达到匹配状态，同时可增强放电等离子体与含能材料吸收频谱接近的谱段的辐射能，从而提高放电等离子体驱动效果。

本发明实施例还提供了一种将增强辐射物质涂敷在金属丝表面的方法，采用上述的增强辐射物质2，包括以下步骤：

选取粉状所述增强辐射物质2，即粉状的石墨烯、稀土发热材料或稀土上转换材料。

将粉状的石墨烯、稀土发热材料或稀土上转换材料与粘接剂混合均匀，得到增强辐射涂剂；粘接剂用于将增强辐射物质2牢固粘接于金属丝1的表面。粘接剂可采用分子结构简单的高分子材料。

将增强辐射涂剂均匀涂敷在金属丝1的表面，并使增强辐射涂剂的厚度达到0.3mm以上，从而完成金属丝1表面的增强辐射物质2的敷设。

本实施例中，所述增强辐射物质2还包括聚乙烯。聚乙烯是分子结构最简单的高分子聚合物，容易受放电等离子体辐射电离产生放电等离子体，进而易于增强放电等离子体整体的强度。

本发明实施例还提供了一种将增强辐射物质涂敷在金属丝表面的方法，采用上述的增强辐射物质2聚乙烯，包括以下步骤：

选取0.1mm厚的薄膜状的所述增强辐射物质2，即选取0.1mm厚的聚乙烯薄膜。

将聚乙烯薄膜包裹在金属丝1的表面，一般需要包裹三层，使聚乙烯薄膜的总厚度在0.3mm以上，从而完成金属丝1表面的增强辐射物质2的敷设。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种能够增强放电等离子体辐射的冲击棒，包括外壳4、金属丝1、增强辐射物质2和增强材料3，外壳4为两端封闭的中空直管；金属丝1沿外壳4的轴线设置，且其两端伸出外壳4并固定安装，增强辐射物质2敷设在金属丝1的表面，增强材料3填装在外壳4内。

外壳4的外径为12-20mm，长度为100-200mm，外壳4采用非金属材料制作。增强材料3为氧化反应放能材料或者非氧化反应放能材料。通过设置增强辐射物质2，使金属丝1放电时易于驱动增强材料3反应并产生冲击波，进而可减小冲击棒的体积和重量。

本发明的冲击棒的结构可采用专利“一种用于产生冲击波的破岩棒及其制作方法”公开号：CN111472772A或“一种用于产生冲击波的液体破岩棒及其制作方法”公开号：CN111472771A公开的破岩棒的结构。

本实施例中还包括同轴套装在外壳4内的内管，所述内管为两端封闭的中空直管，所述金属丝1穿过所述内管；所述增强材料3填装在内管和外壳4之间。

所述内管内装填粉状含能材料。

本实施例中的冲击棒的结构可采用专利“一种用于产生可控冲击波的复合型破岩棒及其制作方法”公开号：CN111472774A或“一种用于产生可控冲击波的复合液体破岩棒及其制作方法”公开号：CN111472773A公开的破岩棒的结构。

本实施例中所述金属丝1的直径为0.3～3mm，所述金属丝1的材质为钨、钽、镍铬合金或铝镁合金。

金属丝1的材质和尺寸随着脉冲功率驱动源的储能量变化而不同，0.3～3.0mm直径的金属丝1涵盖了2～100kJ的储能量的脉冲功率驱动源。通常来说脉冲功率源的储能量越大，金属丝1的直径越粗，但目前还没有一个定量的关系。

本实施例中增强材料3为猛炸药、烟火剂、铝热剂、含氯材料和铝粉、或者含溴材料和铝粉。

猛炸药、烟火剂、铝热剂为以氧化反应释放能量的增强材料3；含氯材料和铝粉、或者含溴材料和铝粉为以非氧化反应释放能量的增强材料3。本发明还可采用含氟、碘材料进行非氧化反应。非氧化反应包括氟铝反应、氯铝反应、溴铝反应和碘铝反应。

氟氯溴碘与铝的反应类似于氧与铝的氧化反应氧也可以与镁、钛、铁等金属反应放能，铝热剂就是铝取代其它金属的放能反应，都是放能反应，也称之为广义的氧化反应。不同的是，反应阈值高即反应条件苛刻，采用该类增强材料3的冲击棒更为安全。氟氯溴碘化合物和铝粉反应释放能更安全。

本实施例中增强材料3为固体，增强材料3包括质量分数为60％-80％的聚四氟乙烯和20％-40％的铝粉，所述铝粉的粒度为亚微米级到微米级。

本实施例的增强材料3的填装密度为2g/cm

通过增强辐射物质2的使用，减小了对脉冲功率驱动源储能量、体积大小的限制，解决了通过金属丝1放电产生冲击波存在电储能密度较低的缺点，使冲击波技术能够应用到更多的场合、领域。

本发明通过增强金属丝1放电产生放电等离子体的温度和辐射强度，进而可以直接驱动任意质量的增强材料3，产生需要的可控冲击波，在保证安全的同时能够很好地对矿产资源进行开采、以及对岩性巷道进行掘进，进一步提高了施工效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。