静电场中多孔PZT95/5铁电陶瓷的通道电-机械击穿模型及分析

作为爆电电源的多孔PZT95/5铁电陶瓷具有极为重要的工程应用背景,但它在强电场作用下易发生电击穿失效,从而影响其放电效率,甚至造成电源失效。基于多孔PZT95/5铁电陶瓷材料在外电场作用下内部形成导电通道以致电失效的机制,通过通道内部局部放电及通道电-机械击穿机理,建立了导电通道诱导的多孔铁电陶瓷的电击穿模型并进行了相关的理论分析。基于本模型,给出了不同孔隙率下铁电陶瓷的电击穿临界电场强度,预测结果与实验测试结果吻合良好,且材料孔隙率越大,内部电击穿通道的特征尺寸越大,导致铁电陶瓷材料的电击穿临界场强显著降低。     

百kV/cm场强下SF6气体开关纳秒脉冲击穿场强和时延经验公式

百kV/cm高场强纳秒脉冲条件下,采用J. C. Martin经验公式估算SF₆气体击穿场强时,估算值与实验结果差异显著。为了进一步指导高场强脉冲气体开关设计,为开关工作状态调节提供依据,借鉴经典击穿场强经验公式形式建立了百kV/cm场强下SF₆气体开关纳秒脉冲击穿场强和时延与实验参数之间的关系,基于实验数据拟合形成了修正系数的击穿场强和时延经验公式。研究表明,百kV/cm场强和纳秒脉冲条件下脉冲电压斜率对开关击穿特性有重要影响,击穿场强与击穿时延相互关联。百ns至μs脉冲与几十ns脉冲气体放电机理的区别引起放电过程中击穿时延组成发生变化,导致了经典击穿场强经验公式估算值与实验结果的显著差异。修正系数的击穿经验公式可为电磁脉冲模拟器输出开关提供更为精确的工程设计依据。     

快脉冲下有机玻璃击穿特性实验

基于CKP1000脉冲源建立了实验平台,实验获得了单次脉冲、不同脉宽、均匀电场下有机玻璃的击穿场强和击穿时延,对有机玻璃的击穿过程进行了分析。实验脉冲的幅值约为230 kV,前沿760~960 ps,脉宽2.3~4.0 ns（FWHM）,试样的平均厚度为1.1 mm。实验结果表明,随着脉冲宽度从2.3 ns增加至4.0 ns,有机玻璃的平均击穿场强从301 kV/mm降至276 kV/mm,平均击穿时延则基本保持不变,其中前沿760 ps,脉宽约2.3 ns时对应击穿时延的分散性增大。     

典型放电气体的击穿场强阈值研究

为了研究等离子体产生时的气体击穿特性,利用低气压条件下气体击穿场强阈值模型,分析了He、Ne、Ar、Kr、Xe和Hg蒸汽等6种典型放电气体的击穿阈值随入射波频率、电子温度、气体压强以及气体温度的变化规律。结果表明:气体击穿阈值随气体压强的增大而减小,随气体温度、电子温度和入射脉冲频率的增大而增大。气体压强和入射频率对击穿阈值的影响大于气体温度和电子温度,在所考虑的范围内,气体压强对击穿场强的影响约为100 V/m,入射脉冲频率对击穿场强的影响为50~300 V/m,气体温度和电子温度对击穿场强的影响为20~30 V/m。当考虑气体压强、气体温度以及电子温度等因素的影响时,各种气体的击穿场强阈值产生的变化规律相类似;但考虑入射频率的影响时,不同气体的击穿场强阈值差异很大。在所考虑的典型放电气体中,Xe具有最低的击穿场强阈值,He的击穿阈值最大。     

重频纳秒高压脉冲下变压器油击穿特性的实验研究

介绍了重频纳秒高压脉冲下变压器油绝缘特性研究的现状和成果。进行了重频（1 Hz～1 kHz）纳秒高压脉冲下25#变压器油击穿特性的实验研究。实验发现相对于单次纳秒脉冲，重频脉冲下25#变压器油的击穿场强与频率相关，频率提高，击穿场强降低，但不是线性关系，在频率超过100 Hz时变压器油的击穿场强变化较小，在10~100 Hz时变压器油的击穿场强迅速下降。初步总结了重复频率、脉冲宽度和击穿场强的关系，对重频脉冲下变压器油的击穿机理进行了初步的探讨。     

液体介质快脉冲电压下击穿特性研究

 设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统，研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的关系，比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明：短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强；重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小，重复频率2 kHz时击穿场强减小了约30％；电极头半径大小对击穿也有影响，半径R＝5 mm时，击穿电压最高；击穿时延随击穿场强减小而变长，在其他条件相同的情况下，测得击穿时延随机波动；蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好，变压器油次之。     

液体介质快脉冲电压下击穿特性研究

设计了液体介质快脉冲击穿试验装置和电压电流测量系统，研究了重复频率、电极形状及电极间距与介质击穿场强、击穿电压和击穿时延等击穿特性参数的关系，比较了变压器油、十二烷基苯、蓖麻油三种典型液体绝缘介质在直流及快脉冲电压作用下的绝缘性能。结果表明:短脉冲持续时间下液体绝缘材料有异常高的击穿场强；重复脉冲串作用下的击穿场强比单个脉冲下明显减小，重复频率2 kHz时击穿场强减小了约30％；电极头半径大小对击穿也有影响，半径R＝5 mm时，击穿电压最高；击穿时延随击穿场强减小而变长，在其他条件相同的情况下，测得击穿时延随机波动；蓖麻油的快脉冲电压绝缘性能最好，变压器油次之。     

150?快速热氮化SiO2膜的击穿特性

对具有器件质量的150?厚SiO₂膜经传统的长时间热氮化和高温快速热氮化后,研究了其击穿特性及其在高场强下的耐久力。研究结果表明,氮化后击穿场强的分布变窄,对栅电极面积的依赖性减弱,最大击穿场强略微下降。热氮化对高电场下SiO₂/Si界面稳定性和决定于时间的介质击穿均有改善。这种改善既取决于所加栅电压的极性,又强烈依赖于氮化工艺条件。根据电流传输机构,本文提出一种考虑了电荷积累、陷阱密度及其重心位置的击穿模型。 关键词：     

微波脉冲大气击穿临界场强估计

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数,发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现,微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数,由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法,并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。推导了脉冲击穿概率的估计公式,并对估计量的性能进行了分析,随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明,在一定范围内,重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比,能用于估计脉冲击穿概率,进而给出击穿临界场强。     

微秒脉冲下极性效应对碳酸丙烯酯击穿场强的影响

通过对比碳酸丙烯酯在针板电极间距分别为0.5、1.0和2.0 mm下的击穿电压大小的实验,研究碳酸丙烯酯的极性效应.实验设备包含一个充电时间在5～20毫秒的电容储能型脉冲型脉冲功率源和一个内置针板电极的击穿试件. 每一组的击穿电压通过示波器显示记录. 三组不同间距下的击穿实验数据表明碳酸丙烯酯的正电极击穿场强高于负电极击穿场强,并且击穿场强随着电极间距的增大而增 大. 对碳酸丙烯酯针板电极的击穿进行了仿真模拟实验. 基于实验结果对碳酸丙烯酯的极性效应给出了相应的解释.     

高压多脉冲真空间隙击穿实验研究

 在真空间隙击穿机理的理论基础上,设计了高压多脉冲下真空间隙的击穿实验方案,对相同材料的多对电极间隙在高压单脉冲和三脉冲下的真空击穿特性进行了实验研究。实验结果与脉冲下真空间隙的击穿机理相符,对脉冲数量增加对真空间隙宏观击穿场强的影响进行了验证,推断出了决定真空间隙宏观击穿场强的关键因素,并对多脉冲加速间隙最大宏观场强的设计提出了建议。     

高压氢气亚纳秒开关击穿特性

 在超宽谱脉冲产生辐射系统或脉冲功率源中,常用高压气体开关来产生快脉冲沿的高功率电磁脉冲。为了研究高压氢气亚纳秒开关的击穿特性,通过实验研究了氢气开关在高气压和短间隙距离条件下的击穿特性。开关输入脉冲的峰值幅度约220 kV,脉宽3～4 ns。氢气气压4～13 MPa,间隙距离0.4～1.2 mm。结果表明：开关击穿电压随气压升高而增加,且开关气压达到11 MPa后击穿电压随气压增加的趋势变缓;开关击穿电压随间距增加而增加,平均击穿场强随间距增加而减小,氢气开关平均击穿场强分布在3～7 MV/cm之间;开关导通时间随气压增加略有减小,随间隙距离增加有小幅增加。     

冲击波作用下铁电体的击穿

 将导电裂纹视为铁电体的击穿模型。导出了当有一裂纹和一电极成垂直接触时的储能公式，由此推得当裂纹开裂一单位面积时的驱动能量，当此能量大于铁电体的表面能时，就是临界击穿的条件，从而可以求出临界电压或临界冲击波强度。并将结果和其它文献作了比较。     

压力水介质脉冲击穿实验研究

 为了提高水介质脉冲形成线的储能密度和减小大型加速器的脉冲功率系统几何尺寸，实验研究了水在静压力作用下的耐压强度。简要介绍了液体绝缘介质的击穿机理，在设计的水介质耐压实验装置上研究了去离子水介质在压力作用下的脉冲击穿特性。结果表明，当压强由0.1MPa增加到0.7MPa时，水的击穿场强由25.3MV/m增加到46.7MV/m。     

薄SixOyNz膜击穿机理的研究

本文在研究极薄Si_xO_yN_x膜击穿特性的基础上,探讨了氮化SiO₂膜的击穿机构,讨论了氮化影响击穿性能的因素。实验结果与理论分析表明,氮化后的SiO₂膜击穿性能的改善主要决定于膜中及表界面的微观结构的改善及成分的改变。虽然,氮化引起介质膜带隙宽度的变窄将导致击穿电场的下降,但致密的材料结构、变得平整的表界面及陷阱的影响将大大推迟击穿的发生。实验结果表明,氮化SiO₂膜的本征型 关键词：     

加压乙二醇/水混合液耐μs级高电压击穿实验研究

 采用同轴电极实验装置，在μs级充电时进行了加压乙二醇/水混合液正电极击穿实验，并对实验结果进行了分析和解释，得出结论如下：击穿场强随静压以1/8次幂的关系而增加；击穿场强系数随乙二醇浓度的增加而增加；加压和添加乙二醇对于提高水介质耐高电压击穿的能力具有可叠加性，加压比添加乙二醇更有效；在静压12×10⁵ Pa下乙二醇浓度80%的混合液击穿场强比常压下纯水击穿场强高112.2%。加压提高乙二醇/水混合液击穿场强的主要机制是加压增加了击穿延迟时间。     

甘油介质在同轴形成线中的击穿特性研究

针对甘油介质在形成线中的应用,总结了甘油作为储能介质已开展的相关研究工作,并在缩比的同轴电极试件中进行了电极表面、磁场、耐压极性、含气量等条件对甘油介质击穿特性影响的实验研究。搭建了基于晶闸管控制的空心脉冲变压器升压实验平台,设计了浸没于脉冲磁场中的同轴电极击穿试件,实验平台最大输出电压500 kV,上升时间26 s,最大磁场1 T,可通过控制晶闸管的先后触发使击穿过程发生于准稳衡磁场中,并制作了外形一致、表面不同的砂纸打磨、羊毛抛光、金属电镀和非金属电镀四种电极。实验结果表明:甘油的击穿是没有极性的;1 T量级磁场对甘油介质的击穿特性无影响;不同电极表面微观形貌差异较大,使甘油介质具有不同的击穿特性,说明甘油击穿在电极表面的过程具有较大影响;充分的排气能减少甘油中直径较大的气泡,减少概率性的低击穿场强,击穿后产生的大量微小气泡会整体降低甘油的击穿阈值,使甘油的平均击穿场强降低。     

电极表面特性对甘油介质击穿特性的影响

基于几种常见的电极表面处理工艺,制作了外形一致、表面不同的砂纸打磨、羊毛抛光、金属电镀和非金属电镀四种同轴电极,对比了电极在微观下的形貌特点,通过实验研究了不同电极表面特性与甘油介质耐压的关系。搭建了基于晶闸管控制的空心脉冲变压器升压实验平台,最大输出电压500 kV,上升时间26 s。实验结果表明:四种电极的微观形貌存在较大差异,并引起了甘油击穿特性的不同,在相同充电电压条件下,甘油的平均击穿场强为210~260 kV/cm;与使用常规的砂纸打磨电极相比,使用羊毛抛光、金属电镀、非金属电镀电极可分别使击穿场强提高14.51%,11.60%,19.67%,其中非金属电镀电极表面均匀程度远高于其他电极,最高击穿场强可达288 kV/cm,比对照组平均击穿场强提高33.09%。     

重复频率纳秒脉冲聚四氟乙烯薄膜击穿特性

实验研究了聚四氟乙烯薄膜在重复频率纳秒脉冲下的击穿特性,选用脉冲上升时间约15 ns,脉宽30~40 ns,重复频率1~1 000 Hz。测量并计算了击穿前后的电压电流波形、重复频率耐受时间和施加脉冲个数与击穿特性密切相关的参数。结果表明,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿场强为MV/cm量级,重复频率耐受时间随施加场强和重复频率的增大而减小。薄膜本身性质及油浸时间使实验数据具有分散性,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿应考虑重复频率条件下的热积累效应和材料缺陷。     

ZnO-Bi2O3系压敏陶瓷的晶界电子结构

测量了ZnO-Bi₂O₃系压敏陶瓷在不同温度下的介电频谱,基于压敏陶瓷介电特征损耗峰起源于耗尽层内本征缺陷电子松弛过程的理论,计算了ZnO的本征缺陷结构,并进一步求出了晶界的微观电参数和宏观单晶界击穿电压.单晶界击穿电压的理论值与实验测量值符合得很好,这表明本文建立的基于介电谱计算本征缺陷的方法是有效的. 关键词： ZnO压敏陶瓷 晶界电子结构 介电谱