新型陶瓷材料.pdf

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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。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，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：２００９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．１ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆＳｒＴｉＯ３ｂａｓｅｄｃｅｒａｍｉｃＦｉｇ．２Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ狏狊ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｏｒＳｒＴｉＯ３ｂａｓｅｄｃｅｒａｍｉｃ图１ＳｒＴｉＯ３基功能陶瓷的ＳＥＭ图图２ＳｒＴｉＯ３基功能陶瓷的介电常数与频率关系２脉冲形成线性能实验研究２．１特种复合介质脉冲形成线实验中用了介电常数分别为９５和２２５的两种特种复合介质的平板固态脉冲形成线，形成线采用Ｂｌｕｍｌｅｉｎ［７］线结构。几何参数均为：电极宽狑＝８ｃｍ，相邻两电极间距犱＝３ｃｍ，电极有效长度犾＝５０ｃｍ。计算得特性阻抗犣和脉冲宽度τ的值为：当ε时，犣，τ；当ε时，犣，τ。ＢＢｒ＝９５Ｂ＝２１ΩＢ＝３２．５ｎｓｒ＝２２５Ｂ＝１３．７ΩＢ＝５０ｎｓ所采用的开关为ＧａＡｓＰＣＳＳ开关。开关相关性能参数为：耐压３ｋＶ，最大导通电流２１１Ａ，电感小于２０ｎＨ，能实现ｌｏｃｋｏｎ工作状态。图３（ａ）为εｒ＝９５的平板Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线在２ｋＶ下获得的电压脉冲波形。其脉冲前沿约为４．９ｎｓ，由ＧａＡｓＰＣＳＳ电感和负载电感决定。脉冲半高宽约为３４ｎｓ，与设计值一致。波动约±１％的平顶宽度约２２ｎｓ。图３（ｂ）为ε的平板Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线输出的电压脉冲波形。其电压约２．４ｋＶ，前沿约为１８ｎｓ，脉冲半高宽约为ｒ＝２２５５８ｎｓ，平顶宽度大于３５ｎｓ，波动稍大。Ｆｉｇ．３ＶｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｕｌｓｅｆｏｒｍｉｎｇｌｉｎｅｓｗｉｔｈＧａＡｓＰＣＳＳ图３ＧａＡｓＰＣＳＳ下两种Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线的结果比较２．２功能陶瓷介质固态形成线实验结果２．２．１低压实验结果所研制的陶瓷固态形成线长度为８０ｃｍ，电极有效宽度为１０ｃｍ，厚度为６ｃｍ，其静态电容为５．２ｎＦ，特征阻抗为６．７Ω。其电长度４５ｎｓ，所以产生的电压脉冲的半高全宽（ＦＷＨＭ）约９２ｎｓ。图４是所研制的脉冲形成线照片。图４（ａ）是形成线所用陶瓷介质块实物照片，上面的直尺长度是６０ｃｍ。图４（ｂ）是安装了电极的形成线，该形成线是单线结构，所以匹配负载上的电压信号幅度只有形成线充电电压幅度的一半。首先进行了充电电压幅度低于５ｋＶ的低压实验。由于电压幅度较低，负载功率较小，采用了直流充电和普通碳膜电阻作为负载。图５是实验得到的负载上的电压波形，从电压波形看，该形成线产生的电压脉冲具有较好的平顶。 第７期夏连胜等：固态高压脉冲形成线研究１１１３Ｆｉｇ．４Ｐｈｏｔｏｓｏｆｃｅｒａｍｉｃｂｕｌｋａｎｄｐｕｌｓｅｆｏｒｍｉｎｇｌｉｎｅ图４形成线所用介质块及形成线照片２．２．２高压实验结果在进行形成线高压实验时，实验条件需要做一些改变。首先，不能采用直流充电方式，因为充电电压高后，充电电流也增大，将导致隔离电阻烧毁；其次，负载也不能采用碳膜电阻，而需要采用功率更大的水电阻。图６是图４所示的脉冲形成线输出的高压电压脉冲波形。实验中，负载水电阻阻值为６Ω，稍小于匹配电阻值，充电电压超过１２０ｋＶ，得到的负载信号最大幅度达到６０ｋＶ。Ｆｉｇ．５ＶｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｎｌｏａｄｗｉｔｈＦｉｇ．６Ｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｎｌｏａｄｗｉｔｈｃｈａｒｇｉｎｇｃｈａｒｇｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｌｏｗｅｒｔｈａｎ５ｋＶｖｏｌｔａｇｅｍｏｒｅｔｈａｎ１００ｋＶ图５低压实验所得负载电压脉冲波形图６陶瓷脉冲形成线产生的高电压脉冲通常情况下，陶瓷材料尤其是铁电陶瓷材料具有一定的非线性效应，即随着所施加的电场强度不同，陶瓷材料的介电常数会发生变化。当电场强度越大时，介电常数越小。我们在实验中也对此进行了测试。通常测量不同施加场强下形成线的电容值是直接的测试方法。然而，当施加高电场强度时，直接测量其电容值几乎是不可能的。实验中，我们采取了非直接测试的方法，即通过测量不同充电电压下形成线产生脉冲的半高宽间接反映材料的介电常数的变化。测量结果表明，对所采用的非铁电ＳｒＴｉＯ基陶瓷，介电常数的非线性效应对产３［８］生脉冲的半高宽影响较小。３结论研究了两类高介电常数固态介质的介电特性和电压特性，试验结果表明，两类介质即特种复合介质和ＳｒＴｉＯ３陶瓷介质均具有较好的频率响应特性和高压特性，适合作为固态脉冲形成线的储能介质。陶瓷聚合物复合介质具有容易制成大体积、容易成型等优点，缺点在于当介电常数较高时容易发生体击穿现象；陶瓷介质缺点是难以烧制大体积介质块，优点在于体击穿性能优越，性能稳定。通过合作，成功烧制了８０ｃｍ×１０ｃｍ×６ｃｍ的功能陶瓷块，并用该陶瓷块研制成一个固态脉冲形成线，此脉冲形成线实际试验电压达１２０ｋＶ，形成线输出阻抗６．７Ω。实验结果为：形成线最高工作电压１２０ｋＶ；脉冲宽度（ＦＷＨＭ）约９２ｎｓ；脉冲平顶波动小于±２％；单线负载功率大于５００ＭＷ；介电常数和工作场强的关联性可以忽略。实验结果表明，陶瓷固态脉冲形成线具有较好的脉冲形成性能。如果采用双线设计，所研制的陶瓷脉冲形成线将具有输出ＧＷ脉冲功率的能力，同时由于固态脉冲形成线特有的免维护等优点，使得陶瓷固态脉冲形成线具有较强的应用潜力。 １１１４强激光与粒子束第２１卷参考文献：［１］ＪｏｌｅｒＭ，ＣｈｒｉｓｔｏｄｏｕｌｏｕＣＧ，ＳｃｈａｍｉｌｏｇｌｕＥ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆａｃｏｍｐａｃｔ，ｐｏｒｔａｂｌｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｆｏｒｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｏｆ１４ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２００３：２５３２５６．［２］ＨｕｅｂｎｅｒＷ，ＺｈａｎｇＳＣ，ＧｉｌｍｏｒｅＢ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈｂｒｅａｋｄｏｗｎｓｔｒｅｎｇｔｈｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｃｅｒａｍｉｃｓｆｏｒｃｏｍｐａｃｔｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｏｆ１２ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９９９：１２４２．［３］ＳｐａｈｎＥ，ＢｕｄｅｒｅｒＧ，ＷｅｎｎｉｎｇＷ．Ａｃｏｍｐａｃｔｐｕｌｓｅｆｏｒｍｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ，ｂａｓｅｄｏｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｓｗｉｔｃｈｅｓ，ｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｇｕｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．犐犈犈犈犜狉犪狀狊狅狀犕犪犵狀犲狋犻犮狊，１９９９，３５（１）：３７８３８２．［４］ＳａｍｐａｙａｎＳ，ＣａｐｏｒａｓｏＧ，ＣｈｅｎＹ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｃｏｍｐａｃｔｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｕｓｉｎｇｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｗａｌｌａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００５ＰａｒｔｉｃｌｅＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２００５：７１６７１８．［５］刘锡三．高功率脉冲技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００５．（ＬｉｕＸｉｓａｎ．Ｈｉｇｈｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｓｅＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２００５）［６］夏连胜，石金水，梁川，等．固态Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线初步研究［Ｊ］．高电压技术，２００３，２９（２）：４４４５．（ＸｉａＬｉａｎｓｈｅｎｇ，ＳｈｉＪｉｎｓｈｕｉ，ＬｉａｎｇＣｈｕａｎ，ｅｔａｌ．Ｐｒｉｍａｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｏｌｉｄｂｌｕｍｌｅｉｎｌｉｎｅ．犎犻犵犺犞狅犾狋犪犵犲犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，２００３，２９（２）：４４４５）［７］陈德彪，刘承俊，夏连胜，等．高介电常数复合介质固态Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线初步研究［Ｊ］．强激光与粒子束，２００７，１９（１）：１７４１７６．（ＣｈｅｎＤｅｂｉａｏ，ＬｉｕＣｈｅｎｇｊｕｎ，ＸｉａＬｉａｎｓｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．ＰｒｉｍａｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｉｇｈｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｐｏｌｙｍｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｓｏｌｉｄＢｌｕｍｌｅｉｎＰＦＬ．犎犻犵犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻犮犾犲犅犲犪犿狊，２００７，１９（１）：１７４１７６）［８］ＸｉａＬｉａｎｓｈｅｎｇ，ＺｈａｎｇＨｕａｎｇ，ＳｈｉＪｉｎｓｈｕｉ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｍｐａｃｔ，ｐｏｒｔａｂｌｅｐｕｌｓｅｆｏｒｍｉｎｇｌｉｎｅ［Ｊ］．犚犲狏狅犳犛犮犻犐狀狊狋狉，２００８，７９：０８６１１３１．犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀犮狅犿狆犪犮狋狊狅犾犻犱狊狋犪狋犲犺犻犵犺狏狅犾狋犪犵犲狆狌犾狊犲犳狅狉犿犻狀犵犾犻狀犲ＸｉａＬｉａｎｓｈｅｎｇ，ＣｈｅｎＤｅｂｉａｏ，ＺｈａｎｇＨｕａｎｇ，ＬｉｕＸｉｎｇｇｕａｎｇ，ＳｈｉＪｉｎｓｈｕｉ，ＬｉＪｉｎ，ＺｈａｎｇＬｉｎｗｅｎ，ＤｅｎｇＪｉａｎｊｕｎ（犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犉犾狌犻犱犘犺狔狊犻犮狊，犆犃犈犘，犘．犗．犅狅狓９１９１０６，犕犻犪狀狔犪狀犵６２１９００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｈａｓｂｅｅｎｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｍａｋｉｎｇｃｏｍｐａｃｔ，ｐｏｒｔａｂｌｅｐｕｌｓｅｆｏｒｍｉｎｇｌｉｎｅｓ．Ｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃａｒｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｅｐｕｌｓｅｆｏｒｍｉｎｇｌｉｎｅｓ．Ｔｈｅｙａｒｅａｋｉｎｄｏｆｃｅｒａｍｉｃａｎｄａｋｉｎｄｏｆｎｅｗｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｙｍｅｒ．Ｔｈｅｃｅｒａｍｉｃ’ｓｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｒａｎｇｅｓｆｒｏｍ２００ｔｏ１０００ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｙｍｅｒ’ｓｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｒａｎｇｅｓｆｒｏｍ５０ｔｏ２５０．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｗｏｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓａｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｔｅｓｔｅｄ，ｓｕｃｈａｓｆｌａｓｈｏｖｅｒａｎｄｂｕｌｋｂｒｅａｋｄｏｗｎｕｎｄｅｒｐｕｌｓｅｄｖｏｌｔａｇｅ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｌａｒｇｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｙｍｅｒｂｕｌｋａｓｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，ｔｈｅｐｌａｎａｒＢｌｕｍｌｅｉｎｌｉｎｅｃａｎｇｅｎｅｒａｔｅｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｓｕｐｔｏ３ｋＶｗｉｔｈａｄｕｒａｔｉｏｎｏｆａｂｏｕｔ５８ｎｓ．Ａｎｄｕｓｉｎｇｔｈｅｃｅｒａｍｉｃｂｕｌｋａｓｔｈｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，ｔｈｅｐｌａｎａｒｌｉｎｅｃａｎｇｅｎｅｒａｔｅｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｓｕｐｔｏ６０ｋＶｗｉｔｈａｄｕｒａｔｉｏｎｏｆａｂｏｕｔ９２ｎｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｏｍｐａｃｔｐｕｌｓｅｆｏｒｍｉｎｇｌｉｎｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｌｙｍｅｒ；ｆｕｎｃｔｉｏｎｃｅｒａｍｉｃ