一种电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置及制备方法与流程

本发明涉及一种电极制备装置及制备方法。

背景技术：

电树枝化是一种电缆材料中的电致裂纹现象，电树枝化的产生通常由杂质、气泡等缺陷造成局部电场集中，集中的电场通过局部微击穿逐步形成树枝状放电破坏通道，通道最终延展至全部路径而击穿的一种放电老化。试验研究中，通常将低曲率半径的钨针电极插入绝缘样品中以获得极不均匀电场，进而引发电树枝。极不均匀电场的不均匀程度受钨针电极的针尖的曲率半径影响很大，针尖曲率半径越小，越易于引发电树枝。因此获得小曲率半径的针尖对于提高试验的效率有较大意义。

目前制备电树枝实验用钨针电极通常采用电化学腐蚀法制备，电化学腐蚀法制备装置如图1所示，图1中a为阳极，b为直流电源，c为阴极；阳极为直径0.6mm的钨丝，阴极为不锈钢板，阴极中心设置有直径3mm圆孔，制备时将钨丝的一端连接直流电源的负极，不锈钢板连接直流电源的正极，不锈钢板水平置于电解液中，钨丝竖向悬吊在并将钨丝的另一端穿入不锈钢板的圆孔内，电解液为2.5mol/l的naoh溶液。利用直流电源施加5v电解电压，通电后，不锈钢板的圆孔附近的钨丝将逐渐被腐蚀，因此圆孔附近的钨丝外径逐渐减少，当电化学腐蚀进行到一定程度时，钢板中心处下部的钨丝将脱落，未脱离部分即为制备的具有针尖的钨针电极。

电化学腐蚀法制备时，钨丝针尖的形成主要依靠不锈钢板下部的钨丝脱落时的拉力拉伸形成，但是钨丝一般较轻，钨丝的重力不足以拉断被腐蚀的钨丝，只有等到化学腐蚀完全结束时，下部钨丝才脱落，这种情况下制备出的针尖曲率半径相对较大，曲率半径超过2μm。

技术实现要素：

本发明为了解决电化学腐蚀法制备的钨针电极的针尖曲率半径大的问题，提出一种电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置及制备方法。

本发明电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置由树脂罩、衔铁、铁芯、弹簧、线圈、电极钢板、树脂支撑件和底板构成；

所述树脂罩为矩形筒，树脂罩的上端口内壁设置有挡圈；

所述衔铁为一体成型的e形体，衔铁由衔铁主体、第一衔铁中央脚、第二衔铁中央脚和两个衔铁边脚构成；两个衔铁边脚一端分别垂直固接在衔铁主体的两端，第一衔铁中央脚一端垂直设置在两个衔铁边脚中间的衔铁主体中部，第一衔铁中央脚和两个衔铁边脚的高度相同；第二衔铁中央脚垂直设置在衔铁主体上第一衔铁中央脚的背侧，衔铁上设置有竖向的贯通第二衔铁中央脚中心、第一衔铁中央脚和衔铁主体的第二通孔；衔铁主体、第一衔铁中央脚、第二衔铁中央脚和两个衔铁边脚均为长方体形；第二衔铁中央脚的侧壁上设置有对称的螺纹通孔，螺纹孔内设置有顶丝；

所述铁芯为一体成型的e型铁芯，铁芯由铁芯主体、中央脚和两个边脚构成，两个边脚的一端分别垂直设置在铁芯主体的两端，中央脚一端垂直设置在两个边脚中间的铁芯主体中部，两个边脚和中央脚的高度相同；铁芯上设置有竖向的贯通中央脚中心和铁芯主体的第一通孔；铁芯主体、中央脚和两个边脚均为长方体形；

所述电极钢板为圆形板，电极钢板中心设置有通孔；

所述底板中心设置有通孔，底板下表面通孔处设置有圆管，圆管的轴线与底板上通孔的轴线重合，圆管的内径小于底板中心的通孔的内径，圆管的侧壁上设置有对称的螺纹孔，螺纹孔内设置有顶丝；所述底板为绝缘板；

电极钢板设置在底板上方，电极钢板靠近外缘处和底板之间设置有数个树脂支撑件；树脂罩设置在电极钢板上表面；衔铁和铁芯设置在树脂罩内部，边脚的自由端和衔铁边脚的自由端相对设置且间距为2～4cm；

铁芯的下表面与电极钢板上表面设置一定间隙；第一衔铁中央脚和中央脚的端面相对设置且第一通孔的中线、第二通孔的中线、电极钢板中心的通孔的中线、底板中心的通孔的中线和圆管的中线均处于同一直线上；衔铁的所有侧壁均与树脂罩的内壁呈间隙配合；铁芯的所有侧壁均紧贴树脂罩的内壁且通过螺钉连接；两个弹簧分别设置在第一衔铁中央脚两侧，弹簧为压弹簧且两端分别与衔铁和铁芯固接；线圈缠绕在中央脚上。

利用上述电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置制备钨针电极的方法按照以下步骤进行：

步骤一：开启线圈电源向线圈施加电压至衔铁和铁芯接触；然后取钨丝，将钨丝下端由衔铁主体的第二通孔穿入，由底板下表面的圆管引出；旋紧圆管上的顶丝，拉直钨丝同时旋紧第二衔铁中央脚的侧壁上的顶丝；

步骤二：将钨丝上端通过导线连接电解电源的正极，将电极钢板通过导线连接电解电源的负极；将线圈的一端连接线圈电源的正极，线圈的另一端连接线圈电源的负极；

步骤三：将制备装置放置在容器内，在容器内加入电解液至液面位于铁芯的下表面与电极钢板上表面之间；所述电解液为naoh溶液；

步骤四：开启电解电源、并以0.5v/s的电压的增加速率逐渐增加电压，当电解电源的输出电流达为2a时维持电压不变、并检测电解电源的输出电流，当电解电源的输出电流达到1a时调整电解电源的电压至电解电源的输出电流为0.5a，然后维持电压不变并监测电解电源的输出电流，当电解电源的输出电流降低低至0.2a时，关闭线圈电源和电解电源，得到钨针电极。

步骤四中当电解电源的输出电流达到2a时化学腐蚀过程开始，当电解电源的输出电流降低至0.2a时表明反应即将结束，此时关闭线圈电源和电解电源，衔铁和铁芯瞬时退磁并相互分离，分离时被压缩的弹簧释放并将衔铁弹开，衔铁对钨针产生瞬间拉伸，将钨针从被腐蚀处拉断，并形成小区率半径针尖。

电化学腐蚀法制备的钨针电极时采用电流为5a，在大电流下具有更高的腐蚀速度，在钨针上形成细颈后，很快就会将细颈腐蚀掉，无法形成小曲率半径的针尖。本发明化学腐蚀时电流仅为2a，电流较小，可以在形成细颈后更均匀充分的腐蚀细颈结构，能形成更细的细颈，进而形成更加纤细的针结构，进而形成曲率半径更小的针尖。

本发明将衔铁、铁芯和弹簧作为冲击拉力发生装置，在钨针腐蚀过程中增加冲击拉力的配合，制备出的钨针电极的针尖的曲率半径小，不超过0.5μm，针尖形态规则。

附图说明

图1为用于制备钨针电极的电化学腐蚀法制备装置的结构示意图；

图2为实施例1中电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置的结构示意图；a为钨丝；

图3为实施例1中衔铁2的结构示意图；

图4为图3的剖视图；

图5为实施例1中铁芯3的结构示意图；

图6为图5的剖视图；

图7为实施例1制备的钨针电极的针尖显微镜图片；

图8为实施例1制备的钨针电极的针尖放大微镜图片；

图9为电化学腐蚀法制备的钨针电极的针尖显微镜图片；

图10为电化学腐蚀法制备的钨针电极的针尖放大显微镜图片。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：本实施方式电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置由树脂罩1、衔铁2、铁芯3、弹簧4、线圈5、电极钢板6、树脂支撑件7和底板8构成；

所述树脂罩1为矩形筒，树脂罩1的上端口内壁设置有挡圈11；

所述衔铁2为一体成型的e形体，衔铁2由衔铁主体25、第一衔铁中央脚22、第二衔铁中央脚23和两个衔铁边脚21构成；两个衔铁边脚21一端分别垂直固接在衔铁主体25的两端，第一衔铁中央脚22一端垂直设置在两个衔铁边脚21中间的衔铁主体25中部，第一衔铁中央脚22和两个衔铁边脚21的高度相同；第二衔铁中央脚23垂直设置在衔铁主体25上第一衔铁中央脚22的背侧，衔铁2上设置有竖向的贯通第二衔铁中央脚23中心、第一衔铁中央脚22和衔铁主体25的第二通孔24；衔铁主体25、第一衔铁中央脚22、第二衔铁中央脚23和两个衔铁边脚21均为长方体形；第二衔铁中央脚23的侧壁上设置有对称的螺纹通孔，螺纹孔内设置有顶丝；

所述铁芯3为一体成型的e型铁芯，铁芯3由铁芯主体34、中央脚32和两个边脚31构成，两个边脚31的一端分别垂直设置在铁芯主体34的两端，中央脚32一端垂直设置在两个边脚31中间的铁芯主体34中部，两个边脚31和中央脚32的高度相同；铁芯3上设置有竖向的贯通中央脚32中心和铁芯主体34的第一通孔33；铁芯主体34、中央脚32和两个边脚31均为长方体形；

所述电极钢板6为圆形板，电极钢板6中心设置有通孔；

所述底板8中心设置有通孔，底板8下表面通孔处设置有圆管82，圆管82的轴线与底板8上通孔的轴线重合，圆管82的内径小于底板8中心的通孔的内径，圆管82的侧壁上设置有对称的螺纹孔，螺纹孔内设置有顶丝；所述底板8为绝缘板；

电极钢板6设置在底板8上方，电极钢板6靠近外缘处和底板8之间设置有数个树脂支撑件7；树脂罩1设置在电极钢板6上表面；衔铁2和铁芯3设置在树脂罩1内部，边脚31的自由端和衔铁边脚21的自由端相对设置且间距为2～4cm；

铁芯3的下表面与电极钢板6上表面设置一定间隙；第一衔铁中央脚22和中央脚32的端面相对设置且第一通孔33的中线、第二通孔24的中线、电极钢板6中心的通孔的中线、底板8中心的通孔的中线和圆管82的中线均处于同一直线上；衔铁2的所有侧壁均与树脂罩1的内壁呈间隙配合；铁芯3的所有侧壁均紧贴树脂罩1的内壁且通过螺钉连接；两个弹簧4分别设置在第一衔铁中央脚22两侧，弹簧4为压弹簧且两端分别与衔铁2和铁芯3固接；线圈5缠绕在中央脚32上。

本实施方式将衔铁2、铁芯3和弹簧4作为冲击拉力发生装置，在钨针腐蚀过程中增加冲击拉力的配合，制备出的钨针电极的针尖的曲率半径小，不超过0.5μm，针尖形态规则。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述底板8下表面边缘均匀设置有数个底板支脚81，底板支脚81的上端与底板8通过螺钉连接。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述树脂支撑件7的两端分别与电极钢板6和底板8通过螺钉连接。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述树脂罩1的下端面与电极钢板6通过螺钉连接。其他步骤和参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述铁芯3的下表面与电极钢板6上表面设置的间隙为1～2cm。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式利用电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置制备钨针电极的方法按照以下步骤进行：

步骤一：开启线圈电源向线圈5施加电压至衔铁2和铁芯3接触；然后取钨丝，将钨丝下端由衔铁主体25的第二通孔24穿入，由底板8下表面的圆管82引出；旋紧圆管82上的顶丝，拉直钨丝同时旋紧第二衔铁中央脚23的侧壁上的顶丝；

步骤二：将钨丝上端通过导线连接电解电源的正极，将电极钢板6通过导线连接电解电源的负极；将线圈5的一端连接线圈电源的正极，线圈5的另一端连接线圈电源的负极；

步骤三：将制备装置放置在容器内，在容器内加入电解液至液面位于铁芯3的下表面与电极钢板6上表面之间；所述电解液为naoh溶液；

步骤四：开启电解电源、并以0.5v/s的电压的增加速率逐渐增加电压，当电解电源的输出电流达为2a时维持电压不变、并检测电解电源的输出电流，当电解电源的输出电流达到1a时调整电解电源的电压至电解电源的输出电流为0.5a，然后维持电压不变并监测电解电源的输出电流，当电解电源的输出电流降低低至0.2a时，关闭线圈电源和电解电源，得到钨针电极。

本实施方式将衔铁2、铁芯3和弹簧4作为冲击拉力发生装置，在钨针腐蚀过程中增加冲击拉力的配合，制备出的钨针电极的针尖的曲率半径小，不超过0.5μm，针尖形态规则。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二所述电解电源和线圈电源均为直流电源。其他步骤和参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤三所述电解液为2.5mol/l的naoh溶液。其他步骤和参数与具体实施方式六或七相同。

采用以下实施例验证本实施例的有益效果：

实施例1：本实施例电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置由树脂罩1、衔铁2、铁芯3、弹簧4、线圈5、电极钢板6、树脂支撑件7和底板8构成；

所述树脂罩1为矩形筒，树脂罩1的上端口内壁设置有挡圈11；

所述衔铁2为一体成型的e形体，衔铁2由衔铁主体25、第一衔铁中央脚22、第二衔铁中央脚23和两个衔铁边脚21构成；两个衔铁边脚21一端分别垂直固接在衔铁主体25的两端，第一衔铁中央脚22一端垂直设置在两个衔铁边脚21中间的衔铁主体25中部，第一衔铁中央脚22和两个衔铁边脚21的高度相同；第二衔铁中央脚23垂直设置在衔铁主体25上第一衔铁中央脚22的背侧，衔铁2上设置有竖向的贯通第二衔铁中央脚23中心、第一衔铁中央脚22和衔铁主体25的第二通孔24；衔铁主体25、第一衔铁中央脚22、第二衔铁中央脚23和两个衔铁边脚21均为长方体形；第二衔铁中央脚23的侧壁上设置有对称的螺纹通孔，螺纹孔内设置有顶丝；

所述铁芯3为一体成型的e型铁芯，铁芯3由铁芯主体34、中央脚32和两个边脚31构成，两个边脚31的一端分别垂直设置在铁芯主体34的两端，中央脚32一端垂直设置在两个边脚31中间的铁芯主体34中部，两个边脚31和中央脚32的高度相同；铁芯3上设置有竖向的贯通中央脚32中心和铁芯主体34的第一通孔33；铁芯主体34、中央脚32和两个边脚31均为长方体形；

所述电极钢板6为圆形板，电极钢板6中心设置有通孔；

所述底板8中心设置有通孔，底板8下表面通孔处设置有圆管82，圆管82的轴线与底板8上通孔的轴线重合，圆管82的内径小于底板8中心的通孔的内径，圆管82的侧壁上设置有对称的螺纹孔，螺纹孔内设置有顶丝；

所述底板8为pvc板；

电极钢板6设置在底板8上方，电极钢板6靠近外缘处和底板8之间设置有4个树脂支撑件7；树脂罩1设置在电极钢板6上表面；衔铁2和铁芯3设置在树脂罩1内部，边脚31的自由端和衔铁边脚21的自由端相对设置且间距为3cm；

铁芯3的下表面与电极钢板6上表面设置一定间隙；第一衔铁中央脚22和中央脚32的端面相对设置且第一通孔33的中线、第二通孔24的中线、电极钢板6中心的通孔的中线、底板8中心的通孔的中线和圆管82的中线均处于同一直线上；衔铁2的所有侧壁均与树脂罩1的内壁呈间隙配合；铁芯3的所有侧壁均紧贴树脂罩1的内壁且通过螺钉连接；两个弹簧4分别设置在第一衔铁中央脚22两侧，弹簧4为压弹簧且两端分别与衔铁2和铁芯3固接；线圈5缠绕在中央脚32上；

所述底板8下表面边缘均匀设置有4个底板支脚81，底板支脚81的上端与底板8通过螺钉连接；

所述树脂支撑件7的两端分别与电极钢板6和底板8通过螺钉连接；

所述树脂罩1的下端面与电极钢板6通过螺钉连接；

所述铁芯3的下表面与电极钢板6上表面设置的间隙为2cm；

利用上述电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置制备钨针电极的方法按照以下步骤进行：

步骤一：开启线圈电源向线圈5施加电压至衔铁2和铁芯3接触；然后取钨丝，将钨丝下端由衔铁主体25的第二通孔24穿入，由底板8下表面的圆管82引出；旋紧圆管82上的顶丝，拉直钨丝同时旋紧第二衔铁中央脚23的侧壁上的顶丝；

步骤二：将钨丝上端通过导线连接电解电源的正极，将电极钢板6通过导线连接电解电源的负极；将线圈5的一端连接线圈电源的正极，线圈5的另一端连接线圈电源的负极；

步骤三：将制备装置放置在容器内，在容器内加入电解液至液面位于铁芯3的下表面与电极钢板6上表面之间；所述电解液为2.5mol/l的naoh溶液；

步骤四：开启电解电源、并以0.5v/s的电压的增加速率逐渐增加电压，当电解电源的输出电流达为2a时维持电压不变、并检测电解电源的输出电流，当电解电源的输出电流达到1a时调整电解电源的电压至电解电源的输出电流为0.5a，然后维持电压不变并监测电解电源的输出电流，当电解电源的输出电流降低低至0.2a时，关闭线圈电源和电解电源，得到钨针电极。

图2为实施例1中电树枝试验中小曲率半径的钨针电极制备装置的结构示意图；图3为实施例1中衔铁2的结构示意图；图4为图3的剖视图；图5为实施例1中铁芯3的结构示意图；图6为图5的剖视图；图7为实施例1制备的钨针电极的针尖显微镜图片；从图7中可以看出，实施例1制备的钨针电极的针尖形态规则；图8为实施例1制备的钨针电极的针尖放大微镜图片；

图9为电化学腐蚀法制备的钨针电极的针尖显微镜图片；图10为电化学腐蚀法制备的钨针电极的针尖放大显微镜图片；从图9中可以看出，电化学腐蚀法制备的钨针电极的针尖形态不规则；对比图7～10可知，实施例1制备的钨针电极的针尖更尖锐，曲率半径为0.5μm，电化学腐蚀法制备的钨针电极的针尖为1.7μm，实施例1制备的钨针电极的针尖的曲率半径显著小于电化学腐蚀法。