基于玻璃陶瓷介质的小型化重频固态脉冲形成线研制及脉冲输出特性研究

With the rapid development of pulsed power technology in military and civilian fields, miniaturization,solid-state and repetition frequency of pulsed power system are the inevitable trend. As the important part of pulsed power system, the pulse forming line filled with water or oil is becoming one of the key bottlenecks in the miniaturization of pulsed power system. Due to high dielectric constant and high electric breakdown strength of glass ceramics, it shows a good potential for the pulse forming line application. In the project, compact solid-state pulse forming line will be fabricated through investigating large-size glass ceramics, electrode and encapsulation process. repetitive pulse peculiarity and the lifetime of the pulse forming line will be studied. The relation between the pulse properties of pulse forming line and dielectric properties of glass ceramics, electrode and encapsulation will be built. The damage machanism of pulse forming line under repetitive frequency will be discussed.It will provide theoretical guidance for the development of repetitive solid-state pulse forming line and promote the progress of pulsed power technology.

随着脉冲功率技术在军用及民用领域的快速发展，脉冲功率系统实现小型化、固态化和重频化成为必然趋势。脉冲形成线作为脉冲功率系统的重要组成部分，目前的水介质或油介质脉冲形成线是制约脉冲功率系统小型化和轻型化的主要技术瓶颈之一。玻璃陶瓷纳米复合介电材料由于具有高介电常数和高击穿场强，作为脉冲形成线储能介质展现出了良好的应用前景。项目申请者拟通过大尺寸玻璃陶瓷介质制备技术、电极及封装工艺的研究，研制小型化全固态脉冲形成线，并开展重频脉冲输出特性以及充放电寿命的研究，建立玻璃陶瓷介电性能以及电极和封装工艺对固态形成线输出波形和寿命的影响规律，探索重频工作条件下的形成线损伤机理。为重频固态脉冲形成线的发展提供理论基础，推动脉冲功率技术进步。

脉冲形成线作为脉冲功率系统的重要组成部分，随着脉冲功率技术在军用及民用领域的快速发展，脉冲形成线实现小型化、固态化和重频化成为必然趋势。本项目基于玻璃陶瓷纳米复合介电材料开展固态脉冲形成线的研制以及重频充放电特性研究。首先，针对现有体系玻璃陶瓷介电损耗较大的问题，开展了降低介电损耗的研究。在PbO-BaO-SrO-SiO2-Na2O-Nb2O5玻璃陶瓷体系中，利用TiO2替换Na2O，在玻璃陶瓷体系中析出（Pb,Sr,Ba）Nb2O6和（Ba，Sr）TiO3相，取代了NaNbO3相，使得玻璃陶瓷体系的介电损耗得到了大幅度的降低，从原来的0.008降低到0.0007。为解决玻璃陶瓷固态脉冲形成线在重频充放电条件下的热积累问题打下了良好的基础。随后开展了不同规格的大尺寸玻璃陶瓷板材的制备工艺研究，建立了玻璃陶瓷的成分、可控结晶工艺以及加工工艺等对大尺寸玻璃陶瓷的成型性影响规律。成功制备出400mm×100mm×6mm、200mm×200mm×6mm以及（ф180-ф120）×6mm等不同形状规格的大尺寸玻璃陶瓷板，为固态脉冲形成线的制备提供了保障。开展了固态脉冲形成线电极结构设计优化，设计了曲线电极结构，研究了不同参数曲线电极对固态形成线耐压特性以及充放电特性的影响。结果表明，在相同的工作电压下，随着固态形成线阻抗的减小，放电电流增加，充放电寿命不断降低；在相同的阻抗条件下，随着工作电压的提升，充放电寿命降低。工作电压的提升对寿命的影响更大。最终研制的固态脉冲形成线在工作电压20kv、输出脉宽50ns、工作频率1kHz、放电电流4kA的条件下，充放电寿命达到100万次。