爆炸箔起爆系统高压平面固体开关技术研究

发布时间：2020-06-10 22:11

【摘要】：爆炸箔起爆系统是一种新型雷管,具有抗冲击、抗射频、抗静电及电磁干扰的能力,其作用迅速可靠,是一种安全可靠的起爆系统。爆炸箔起爆系统除了可用于核武器的引爆系统,还广泛应用于反坦克导弹、空空导弹和鱼雷等武器装备。爆炸箔起爆系统中脉冲功率单元需要将电能储存于电容中,然后迅速释放,因此系统中的高压开关的选择对整个起爆系统的可靠作用起着重要影响。本文根据国内外高压开关的研究现状,分析不同种开关的优缺点,提出了一种新型的高压平面固体开关,以其作为研究对象优化开关的制备工艺,使用Maxwell 2D和3D软件进行仿真计算得到了触发极宽度和镀铜膜厚度对开关电场的影响,以及环氧树脂作为填充材料的可行性和对应的开关尺寸。研究环氧树脂固体材料的固化工艺,固体材料的热稳定性,开关尺寸对性能的影响,并对开关填充前后的性能进行对比,对触发后的空气开关与固体开关形貌进行对比。为了研究平面开关的最佳刻蚀时间,本文利用电感耦合等离子原子发射光谱仪测量刻蚀液中Cu2+浓度的大小,得出放入刻蚀液中120~180 s左右,铜膜刻蚀完全。为了研究显影液浓度的影响,本研究对比4‰,5‰,8‰和16‰显影液处理后开关的形貌,得出使用5‰KOH溶液处理后到的开关形貌较好。为了研究镀膜的厚度,通过使用台阶仪测定不同镀膜时间的铜膜厚度,得出在溅射功率为600 W,Ar的气体流速为30 sccm,基板的转速为30 r·min-1的条件下,制作厚度为4μm的开关,镀膜时间为3300 s。为了研究开关铜膜厚度的影响,使用Maxwell 3D软件对开关的厚度进行研究得到以下结论:在3~5μm厚度范围内,开关最大场强呈先减小再增大的趋势,最大场强出现位置基本一致。为了研究触发电极宽度的影响,利用Maxwell 2D软件对触发极的宽度进行研究得出以下结论:开关最大场强随触发极的宽度增加而增加。为了研究环氧树脂作为填充介质的可行性,将触发电极与负极之间的距离为0.05 mm,调整触发电压为2500 V,在距离触发极圆弧处附近电场强度达到最大为5.2×107 V?m-1;将触发电极与负极之间的距离调整为0.08 mm,触发极电压为2000 V,在距离触发极圆弧处附近电场强度达到最大为3.0×107V?m-1。因此在触发电压2000~2500 V,触发电极与负电极距离0.05~0.08 mm的范围内,环氧树脂平面开关可以完成击穿。为了研究环氧树脂的热稳定性,利用TG进行了测试,得出环氧树脂可以在200℃的高温条件下保持稳定。为了研究开关触发电极宽度的影响,对不同触发极宽度开关的自击穿电压进行测试,得到触发电极越宽自击穿电压越小的结论,与仿真结果相同;为了研究铜膜厚度对平面开关自击穿电压的影响,对不同厚度开关进行自击穿电压测试,得到铜膜厚度越厚开关自击穿电压越小的结论。为了研究环氧树脂对高压开关自由击穿电压的影响,对固体开关的自击穿电压进行测试,得到相同尺寸的空气开关与固体开关相比自击穿电压大约相差400~600 V的结论。对主电极间隙为0.8 mm,触发间隙为0.08 mm,触发电极宽度为0.22 mm,铜膜厚为4μm的固体开关的延迟时间进行了研究,在2200 V的工作电压,触发电压2000V下,得到了该尺寸下固体开关的延迟时间为20 ns,与相同尺寸的空气开关性能相同,计算得到了固体高压平面开关的电阻和电感分别为102.3 mΩ和91.1 nH。观察固体开关与空气开关触发工作后的形貌,得到了相比于空气开关,固体开关主电极电极和触发电极损伤更为严重。
【图文】：

示意图,爆炸箔,示意图,安全起爆系统

爆系统也称为直列式安全起爆系统，它由爆炸箔起爆单元[3,4]。其中，，爆炸箔起爆单元包括金属桥箔、飞片、加速元负责为起爆单元提供能量，功率单元包括高压开关、变等。图 1.1 为爆炸箔起爆系统示意图。

火花间隙开关,结构示意图,主电极,间隙击穿

对气体开关和真空开关进行了研究。图 1.2 为开关结构的电极位于两个主电极之间，触发电极与负电极的最小间隙距间为 b。主电极由球形、半球形或其他形状的金属制成，开关糙度、光洁度、间隙宽度等将会影响开关的击穿电压、使用通时，两个主电极之间加有一定的电压，当向触发极施加电压极之间的间隙首先被击穿，产生带电离子，带电粒子在电场的造成主电极间隙击穿。间隙击穿机理可用流光击穿[15]过程来解
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ565.2

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