新型陶瓷材料.pdf

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1、第２１卷第７期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．７２００９年７月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪｕｌ．，２００９文章编号：１００１４３２２（２００９）０７１１１１０４固态高压脉冲形成线研究夏连胜，陈德彪，张篁，刘星光，石金水，李劲，章林文，邓建军（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：为了实现高压脉冲形成线小型化，开展了平板固态脉冲形成线研究。实验研究了两种作为储能介质的固态材料的高压体击穿特性、沿面闪络特性和频率响应特性，一种是特种复合材料，其相对介电常数在５０～２５０之间，另一种

2、是功能陶瓷，其相对介电常数在２００～１０００之间。在此基础上，研制了两种平板固态脉冲形成线。特种复合介质固态脉冲形成线试验电压为３ｋＶ左右，输出电压脉冲半高全宽（ＦＷＨＭ）可以达到５８ｎｓ；功能陶瓷介质固态脉冲形成线的试验充电电压超过１２０ｋＶ，输出电压脉冲半高全宽为９２ｎｓ。关键词：脉冲功率技术；紧凑脉冲形成线；特种复合介质；功能陶瓷中图分类号：ＴＬ５０７文献标志码：Ａ电容性储能的高压脉冲形成线作为高功率微波、高功率激光和Ｘ光机的驱动源，在高功率脉冲技术领域［１３］得到了广泛的应用。这些应用要求，对稳定的负载阻抗，高压脉冲形成线在脉冲持续时

3、间内具有稳定的输出电压，同时工作电压幅度在１００ｋＶ～１ＭＶ之间、输出电压脉冲宽度在１００ｎｓ左右。近年来，随着技术进步，上述应用要求作为其驱动源的电容性高压脉冲形成线实现小型化。作为实现高压脉冲形成线小型化的发［４］展方向之一，高压脉冲形成线储能介质材料的固态化研究日益受到关注。传统的脉冲形成线储能介质是可以实现高压绝缘的液态储能介质，比较典型有变压器油和去离子水。变压器油的相对介电常数在２～１０之间，储能密度较低，负载能力较弱。相对介电常数为８１的去离子水作为储能介质在高压脉冲形成线中的成功应用［５］使高压脉冲形成线技术水平得到一次大的提升

4、。在相同的工作电压和匹配负载下，水介质脉冲形成线比油介质脉冲形成线具有更大的输出电流，同时产生相同宽度脉冲时水介质高压脉冲形成线物理长度更短。然而，对于去离子水介质高压脉冲形成线，需要一套去离子水产生装置来产生去离子水，并维持去离子水具有较高的电阻率，这严重影响实现脉冲形成线的小型化和紧凑化。为了实现高压脉冲形成线更加紧凑和具有更强的输出能力，用具有较好高压特性和频率响应特性的固态储能材料代替去离子水是一种可能的选择。我们在２００３［６］年报道了陶瓷介质固态脉冲形成线相关研究的初步结果。对于固态脉冲形成线而言，固体储能介质的材料特性、介电常数的

5、选择和介质块的成型特性是重要技术环节。本文将介绍我们进行的两种高介电常数固态储能介质特种复合介质和功能陶瓷介质脉冲形成线的相关研究结果。１两类材料的参数１．１特种复合材料参数本研究中所采用的特种复合材料，是将高介电常数陶瓷粉末和有机材料粉末均匀混合再热压而成的。热压而成的陶瓷聚合物复合介质具备了纯陶瓷的介电常数大（与去离子水、变压器油相比）、体击穿电场强度高和介质损耗小的特点，还具备了纯陶瓷尚不具备的可大尺寸热压和加工的特点。该复合介质为非磁性介质，其相对真空磁导率为１。对样品的介电常数进行了测量，测试结果表明，该复合介质具有优良的频率响应特性

6、，样品介质的介电常数在１～８００ＭＨｚ范围内是基本不变的。样品的介质损耗角正切均小于０．０１，直流电阻率大于２００ＭΩ·ｃｍ。对样品进行的真空沿面闪络实验和体击穿实验结果表明，样品脉冲真空沿面闪络电场强度优于５０ｋＶ／ｃｍ，脉冲体击穿场强优于１００ｋＶ／ｃｍ。１．２功能陶瓷介质参数研究中采用的功能陶瓷的主要成份是ＳｒＴｉＯ３，含有少量的ＴｉＯ２。介质块采用水热合成方法制成，密度约３，体击穿场强约１００ｋＶ／ｃｍ，真空沿面闪络电场场强约３５ｋＶ／ｃｍ，直流电阻率大于２００ＭΩ·ｃｍ。４．８ｇ／ｃｍ收稿日期：２００９０１０６；修订日期：２００

7、９０４２８基金项目：中国工程物理研究院基金项目作者简介：夏连胜（１９７０—），男，博士，研究员，主要从事强流电子束源和脉冲功率技术研究；ｌｓｈ＿ｘｉａ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。１１１２强激光与粒子束第２１卷介电常数在２００～１０００之间，通过调整添加剂份额而实现可调。图１是陶瓷样品的ＳＥＭ图，从中可以看出，样品质地是比较致密的。图２显示的是不同参杂比下陶瓷样品的介电常数和频率的关系，从中看出，虽然在低频段（小于１００ｋＨｚ）介电常数值有些波动，但在感兴趣的区域内介电常数值是比较稳定的。Ｆｉｇ．１ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆＳｒＴｉＯ３ｂａｓｅｄｃ

8、ｅｒａｍｉｃＦｉｇ．２Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ狏狊ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｏｒＳｒＴｉＯ３ｂａｓｅｄｃｅｒａｍｉｃ图１ＳｒＴｉＯ３基功能陶瓷的