PCB基密封并联平面触发火花隙开关的设计及性能

为了提高爆炸箔起爆系统(exploding foil initiator system,EFIs)的作用可靠性,减小系统体积、降低系统成本,采用印制电路板(printed circuit board,PCB)工艺设计了一种密封并联平面触发火花隙开关(planar triggered spark-gap switch,PTS).根据三电极的结构设计参数,采用PCB工艺批量制备了PTS,单只并联PCB-PTS的尺寸为13.5 mm(l)×7.5 mm(w)×2.5 mm(h).基于显微计算机断层扫描重建了开关的立体和断面图像,结果显示PCB工艺满足开关的加工精度需求.开展了电极间隙的静电场分布仿真以解释开关的导通过程,并且据此计算了开关的理论自击穿电压(self-breakdown voltage,USB).开关的电气性能测试表明:(1)并联PCB-PTS的USB略低于理论计算值,约为2000 V;(2)在大约50％～95％的USB范围内开关均能被可靠触发工作,并且电流上升时间稳定在约121.8 ns,峰值电流大于1500 A,满足EFIs的使用特性需求.最后,将该开关应用于爆炸箔起爆器(exploding foil initiator,EFI)进行发火实验,在0.22μF/1400 V的放电条件下,成功起爆了HNS-Ⅳ炸药.     

爆炸平面开关的设计及研究

为了进一步减小爆炸箔起爆器系统体积,并降低生产成本,设计并制备了一种爆炸平面开关,并对该爆炸平面开关的电极间隙和放电特性进行研究.结果表明:随着间隙电极的间隙距离减小,其开关的作用时间缩短;对于同一起爆电压的爆炸平面开关,随着放电电极间隙的增大,其冲击片雷管的爆发电流呈下降趋势.     

适用于常规弹药触发点火的电子开关

介绍一种适用于弹药触发点火的电子开关，该开关由电路构成，电路中有高压源，一个与高压源相连的，密封的双电极火花隙，一个与密封隙串联的微隙，一个与微隙相连的爆炸箔起爆器，和一个桥接在高压源和密封隙引线之间的储能电容。触发电路连接在高压源和发火脉冲发生器之间，并且伸出一根引线联接到上述电路中的密封隙和微隙之间。储能电容器被电压源充电至电压V，它实际上是施加在密封隙上的，发火电路发生器的脉冲激励触发电路产生高电势Vt，加上密封隙导通后叠加过来的电压V，击穿微隙，使电流通过。到达爆炸箔起爆器。     

集成高压平面开关的冲击片雷管设计研究

为了降低冲击片雷管系统体积和生产成本,设计一种在陶瓷基板的正面和背面分别制备爆炸桥箔和高压平面开关,与其他零部件组装成冲击片雷管的集成高压平面开关的冲击片雷管,并且研究了其电爆炸性能。结果表明：该冲击片雷管与使用火花隙开关的冲击片雷管放电参数基本相同,该高压平面开关能够代替火花隙开关完成冲击片雷管的起爆要求。     

基于二极管电爆炸的单触发开关导通机理

采用磁控溅射、紫外光刻、化学气相沉积等微机电加工技术,制备了基于Schottky结二极管和p-n结二极管的两种单触发开关,分析了无负载时它们的放电特性,两种开关在0.22μF/1500 V、0.22μF/1200 V下达至2000 A左右的峰值电流。研究了触发电容容值、触发电压、主电压、绝缘层厚度和双二极管并联结构对导通性能的影响,发现随着触发电容容值的增加,最小触发电压逐渐降低;减小绝缘层厚度、提高触发电压和主电压,均有利于峰值电流的升高;双二极管并联作为触发元件时,峰值电流比基于单个二极管的单触发开关更高,上升时间更短。根据单触发开关的放电特性曲线,将其作用过程划分为二极管电爆炸、绝缘介质层击穿和脉冲大电流上升三个阶段,阐明了各阶段的作用机制,建立了相应的电阻模型,结果表明单触发开关的电阻可以视为常数,并且阻值在毫欧级。     

平面开关与爆炸桥箔的集成设计及研究

为了进一步减小爆炸箔起爆器系统体积,并降低生产成本,采用离子刻蚀的方法,设计并制备了一种集成平面开关的爆炸桥箔.其电爆炸性能测试结果表明:集成平面开关爆炸桥箔的放电参数与采用火花隙开关的参数—致性较好,该桥箔制备工艺简单、成本低,更有利于系统集成,缩小EFIs的体积.     

环氧树脂高压平面固体开关研究

本研究首先使用Maxwell仿真软件对环氧树脂固体开关的可行性进行分析,然后利用微电子机械加工技术,使用环氧树脂作为开关的固体材料制得固体开关。对环氧树脂固体材料的热稳定性,以及开关的静态自由击穿电压、开关延迟时间进行测试,并对触发后的空气开关与固体开关形貌进行对比。结果表明:环氧树脂可以承受300℃的高温;在主电极和触发电极距离0.08mm、触发电压2 000V条件下,高压固体开关可被触发;相同尺寸的固体开关比空气开关耐压400~600V,开关延迟时间约20ns;触发后的固体开关损伤严重,不能重复使用。     

汽车火花点火系统电磁干扰影响因素

汽车电磁干扰对环境的影响不容忽视,国内外在这方面的研究已经取得了一些成绩,我国这方面起步较晚,大多数还局限于经验改造和实验阶段,对于汽车产生电磁干扰和抑制的理论研究还很不足.现通过建立汽车点火系统次级电路火花放电的等效电路模型,模拟了火花塞间隙击穿过程中由于电容放电引起的火花电流的变化以及对周围环境的影响.研究发现:在不影响点火性能的情况下,尽量增大火花塞的内置电阻的阻值,最大限度地靠近火花塞放电电极,以及尽量减小高压导线长度等,对抑制电磁干扰对周围环境的影响有较好的作用,为汽车电磁兼容的设计提供理论和数值参考.     

冲击片起爆系统中能量转换开关性能研究

对冲击片起爆试验系统的能源供给系统中使用的能量转换开关进行了选择确定,采取同定电极问隙、给场畸变开关充以不同压力的惰性气体(纯氩气、高纯氮)的方法实现了对充电电压的调节。试验表明,所选用的开关性能完全满足冲击片起爆感度试验装置起爆炸药的需要。     

Y对铝空气电池阳极电化学活性及自腐蚀的影响

用中频感应熔炼炉制备Al-0.5Mg-0.1Sn-0.1Ga-xY(x=0、0.05、0.10、0.30、0.50)(质量分数,下同)铝空气电池用阳极五元合金.用金相分析、电化学测试、电池放电测试及表面形貌分析研究在4 mol/LNaOH溶液中稀土元素Y对铝空气电池阳极电化学性能和放电性能的影响规律.结果表明:当Y的质量分数为0.1％时,合金晶粒尺寸最小,第二相颗粒均匀分布.Y的加入降低析氢反应速率,合金有最佳的电化学性能和最低的自腐蚀速率,均匀化腐蚀明显.Y在提高阳极活性同时,可有效提升阳极的能量密度,当放电密度为0.02 A/cm2时,阳极能量密度高达2777.778 mA·h/g.     

铝空气电池用铝阳极改性的第一性原理研究

铝空气电池铝阳极材料的自腐蚀性严重影响电池的工作效率.用第一性原理计算法,以掺杂Sn和In的铝阳极为研究对象,对侵蚀性氢氧根离子吸附Al(001)晶面的特性进行计算,分析体系能量、态密度和功函数的变化规律,探究掺杂Sn和In对铝阳极改性后自腐蚀和放电性能的影响机理.结果表明:掺杂Sn和In后铝阳极的吸附能增大,氢氧根离子吸附结构不稳定性增加,铝阳极的自腐蚀速率降低.掺杂后合金元素主要向Al低能级d轨道索要电子,电子成键使阳极反应更易进行.掺杂合金的表面功函数均增大,电子逸出功增加,阳极表面电化学稳定性增加,掺杂In使铝阳极表面更稳定.     

基于反向开关晶体管的脉冲电源在电磁发射中的应用

为了进行电磁轨道炮发射机理研究,研制了一套基于反向导通双晶复合晶体管（RSD）全固态开关的电容储能型脉冲功率电源。RSD开关采用可控等离子体换流技术,具有全面积均匀同步导通、开通损耗小、功率大、换流效率高、寿命长的特点。电源系统由16个64 kJ储能模块并联组成,采用一体化紧凑设计,内嵌充电、控制、保护与测量功能。系统额定电压18 kV、总储能1 MJ,可通过时序控制对放电波形进行调节,短路同步放电峰值可达960 kA. 系统在20 mm口径电磁轨道炮上进行了多次发射试验,结果表明脉冲电源系统可靠性高,一致性好,输出波形灵活可调,满足轨道炮超高速发射研究的需要。     

MgNiCu合金贮氢电极的电化学性能的研究

采用机械合金化工艺由Mg、Ni、Cu元素粉末按选定比例合成MgNiCu贮氢合金。着重研究了MgNiCu贮氢电极的充放电特性、放电容量与球磨时间之间的关系、放电容量与放电电流之间的关系,以及循环工作寿命。结果表明:MgNiCu贮氢电极的容量随球磨时间的延长呈线性增加,抗衰减能力增强,且耐大电流放电性能也提高。     

瞬态电压抑制二极管对半导体桥换能元电爆特性影响的模拟

为了解决瞬态电压抑制二极管(TVS)用于半导体桥火工品抗静电设计的参数优化问题,采用电路模拟和试验相结合的方法,构建了电容放电发火测试电路等效模型和半导体桥PSpice电子器件模型,研究了TVS参数对半导体桥换能元电爆特性的影响。结果表明,当钽电容等效串联电阻为288 mΩ,钽电容等效串联电感为0.68μH,导线电感为40 nH和回路电阻为3.3 mΩ时,22μF/16 V电容放电发火电路的等效电路模型和实际吻合。以阻抗-能量列表模型的方式创建的半导体桥PSpice电子器件模型模拟曲线和实际曲线吻合,且模拟电爆数据偏差小于3%。模拟和试验结果表明,TVS对半导体桥电爆性能的影响程度随着其击穿电压的升高而降低。当TVS的击穿电压在8～12 V之间时,即使TVS击穿电压低于半导体桥发火电压,半导体桥仍能正常爆发,TVS击穿造成的分流导致半导体桥爆发延迟(2μs),且延迟时间随着TVS击穿电压的降低而延长。     

多孔集成节流空气静压轴承数值计算与性能研究

为揭示具有密集节流孔的空气静压轴承承载性能变化规律,设计一种具有多孔集成节流器的空气静压轴承,并对该轴承承载能力和刚度进行研究。结合多孔集成节流空气静压轴承的物理模型建立极坐标下的控制方程,采用有限差分方法和流量平衡原理对该控制方程进行离散差分推导和数值求解并得到气膜流场的压力分布,对空气静压轴承承载力和刚度等性能参数进行分析并进行相关试验验证。结果表明：多孔集成节流空气静压轴承的气膜压力随着气膜间隙的减小而逐渐增大;在气膜间隙相同情况下,随着节流器节流孔数量的增加和节流孔孔径的增大,轴承承载力逐渐增大;轴承在一定气膜间隙下具有最佳刚度,随着节流孔数量的增加,最佳刚度值先增大、后减小;随着轴承供气压力的增大,其最大承载力和最佳刚度值均显著增大;试验测试结果与数值计算结果具有较好的一致性,验证了数值计算和数值方法的可行性和正确性。     

静电电磁脉冲诱发航天器绝缘材料闪络特性

为探究静电电磁脉冲诱发不同绝缘材料闪络特性,利用静电电磁脉冲诱发闪络实验系统,根据二次电子发射雪崩理论和场叠加原理,结合实验研究了静电电磁脉冲场辐照条件下,有机玻璃、聚四氟乙烯、环氧树脂3种航天器常用绝缘材料表贴指型金属电极的闪络规律。研究结果表明：静电放电(ESD)模拟器对垂直金属耦合板接触式放电产生静电电磁脉冲辐射场,与电极两端直流电场叠加构成合成场诱发闪络,当合成场在两个电极间产生的感应电压小于绝缘材料闪络电压时不会产生诱发闪络,当接近材料闪络电压时,诱发闪络存在概率问题,提升ESD输出电压使合成场产生的感应电压越大,诱发绝缘材料闪络概率增大;3种绝缘材料介电强度越强,在同等强度的静电电磁脉冲条件下,诱发闪络的概率越小,诱发闪络时电极间形成贯穿放电通道所需时间会增加,时延变长,诱发闪络电流随之增大。     

集成PN结防护结构的薄膜换能芯片

研究设计了一种平面纵向集成PN结（半导体的空间电荷区）结构二极管的薄膜换能元芯片,并制作了3Ω和4Ω2种桥区电阻,每种电阻制备1.0 mm×1.0 mm、1.5 mm×1.5 mm、2.0 mm×4.0 mm 3种芯片尺寸,每种尺寸设计8,18,28,34 V 4种击穿电压的集成芯片样品,其中1.0 mm芯片对应4种击穿电压的芯片,1.5 mm、2.0 mm芯片对应34 V击穿电压进行静电对比试验。为研究集成防护结构对换能元的爆发性能的影响,对3Ω的1.0 mm集成芯片进行了发火试验测试。结果表明集成薄膜芯片尺寸越大,抗静电能力增强;芯片桥区电阻越大,越容易受到静电干扰损伤,其静电防护性能达500 pF/500Ω/25 kV。PN结结构的击穿电压越小,其旁路电流的能力越大,对换能元爆发性能的影响越大,击穿电压越大,对换能元的静电防护作用越小。对于33μF/16 V作用条件的火工品,选择18 V击穿电压的集成芯片说明集成薄膜芯片应用中需要根据换能元的工作电压选用合适的击穿电压,以保证集成芯片既可以防护静电干扰,不影响产品的正常作用。     

储备式叠层锂电池集流片的包覆结构

针对多单元储备式锂电池内部存在短路现象,影响整个电池放电性能的问题,提出了储备式叠层锂电池集流片包覆结构。该结构在电池集流片内圆端面包覆绝缘环,电极置于绝缘环内,可将相邻单元电极与电解液隔离开来。将改进后和改进前的多单元储备式锂电池分别在常温下以相同电流密度放电,试验结果表明：包覆集流片的电池放电电压、放电时间明显优于未包覆集流片的电池。同时减少了电池放热现象,从而提升了电池的放电性能以及电池的安全性。     

铝合金表面陶瓷化及绝缘性能研究

采用直流脉冲微弧氧化工艺,在6063铝合金表面制备氧化陶瓷膜,讨论不同工艺条件下陶瓷膜的绝缘电阻和击穿电压。在择优选出Na2SiO3系电解液配方情况下,研究占空比、频率等放电参数及处理时间变化对陶瓷膜绝缘性能影响的规律。结果表明：膜层厚度随着氧化时间（5~45 min）的增加而增厚,但临界点后有所下降;膜层电绝缘性能随占空比（5%~30%）的增大先扬后抑,也存在临界点;膜层电绝缘性能随频率（0.1~1 kHz）的增加而变好。优化的电参数组合是提高陶瓷膜性能的关键之一。     

发射药生产过程中静电锥体放电规律数值模拟研究

静电锥体放电是引发发射药燃烧爆炸事故的重要放电形式。为了研究其在生产过程中的放电规律,基于静电场高斯定理,利用ANSYS有限元模型,对单基发射枪药的存储、转运料斗中的静电场进行了数值模拟,并进行了实验验证,实验值与模拟值吻合较好。通过数值模拟得到了单基发射枪药料斗内静电场的分布规律,以及静电场随物料厚度的变化规律。研究结果表明：单基发射枪药料斗底部电场强度最大、侧壁次之、物料表面电场强度最小;最大电位出现在物料内部,而不是物料表面;物料厚度在0.05 m时,底部最大电场强度为6.92×10⁶ V/m,大于空气击穿电场强度,这表明在料斗刚罐充发射药时,就可能在料斗底部发生静电锥体放电;随着物料厚度的增加,料斗内的电场强度也随之增大,当发射药厚度增加到0.29 m时,底部最大电场强度已增大至1.41×10⁷ V/m, 侧壁和料面电场强度也随之增大,料斗内锥体放电更加频繁,点燃发射药的危险性也更大。