（光学工程专业论文）去离子水与乙二醇混合液电性能的实验研究.pdf

园防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 水介质具有高的相对介电常数( 约8 0 ) ，而且具有自我恢复的能力，在脉冲 功率系统中被广泛应用。然而，由于水介质在零度以下工作时会结冰而影响了 其应用，为了扩展水介质的应用范围，迫切需要解决这个问题。有研究表明： 乙二醇与水混合后可使冰点降低。本文就水介质中加入乙二醇后冰点的变化进 行了探讨；并以水介质同轴传输线为实验装置，研究了去离子水乙二醇混合液 的电性能。主要进行了以下三方面的工作： 首先研究了常温下去离子水的电性能。研究表明：常温下去离子水的相对 介电常数约为8 0 ，经过去离子处理后电阻率可达1 2 5 8 mq c m ；当平均击穿时 间为5 7 7 m s 时，去离子水的平均击穿场强为1 1 2 1 8 k v c m 。证明了水介质具有较 强的耐高电压性能；随着充电速度的加快，平均击穿场强提高而平均击穿时间 则略有缩短。 其次，研究了常温下去离子水乙二醇混合液的电性能，并与去离子水的电 性能进行了比较。研究表明：去离子水中加入乙二醇后相对介电常数稍有下降， 平均击穿场强及电阻率明显提高，平均击穿时问延长。如浓度为5 9 o 的混合液 的相对介电常数为7 1 2 6 ，电阻率为3 5 7 1m q c m ，当平均击穿时间为7 3 1 “s 时平均击穿场强为1 4 2 ，8 1 k v c m ，比去离子水的平均击穿场强提高3 5 2 0 ，平均 击穿时间延长1 3 5 1 ，电阻率提高了近2 倍，而相对介电常数仅减小了1 0 9 3 。 随着混合液浓度的升高，平均击穿场强提高，平均击穿时间延长，电阻率升高， 相对介电常有所降低。 最后，研究了去离子水乙二醇混合液的冰点及低温下的电性能。研究表明： 随着温度的降低，混合液的相对介电常数及电阻率均增大：随着混合液浓度的 增大，混合液的冰点持续降低。如浓度为5 0 的混合液的冰点已达3 9 。 关键词：去离子水乙二醇混合液，相对介电常数，水介质传输线，击穿电压， 击穿时间 第1v i页 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t a sb o t hi n s u l a t o ra n de n e r g ys t o r a g em e d i a ，d e - i o n i z e dw a t e rc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fh i g hr e l a t i v ep e r m i t t i v i t y ( i sa b o u t8 0 ) ，s e l fr e p a i r a b i l i t y ，l o wc o s t a n de a s e to fh a n d l i n g h o w e v e r ，t h ea p p l i c a t i o no fi ti sr e s t r i c t e db e c a u s ei tw i l l f r e e z ei nl o wt e m p e r a t u r e t oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o no fi t ，i t sv e r ye x i g e n tt o s o l v et h i sp r o b l e m i t sf o r t u n a t et h a tt h ef r e e z i n gp o i n to fw a t e rc a nb ed e c r e a s e d w h e nt h ee t h y l e n eg l y c o li sa d d e d t h ec h a n g i n go ft h ef r e e z i n gp o i n tw a ss t u d i e d w h e nt h e e t h y l e n eg l y c o l w a sa d d e d ，a n dt h e e l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c e o f w a t e r e t h y l e n eg l y c o lm i x t u r e sw a sa l s or e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ee l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c eo fd e i o n i z e dw a t e rw a ss t u d i e db yu s i n g c o x i a lt r a n s m i s s i o nl i n ea se x p e r i m e n t a le q u i p m e n t i t ss h o w e dt h a tt h er e l a t i v e p e r m i t t i v i t y i sa b o u t8 0 ，t h er e s i s t a n c er a t i oi s1 2 5 8 mq e m ，t h ea v e r a g e b r e a k d o w ns t r e n g t hi s1 1 2 1 8 k v c mw h e nt h ea v e r a g eb r e a k d o w nt i m ei s5 7 7 u si n n o r m a lt e m p e r a t u r e i tp r o v e st h a tw a t e ri sg o o da te l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t h ee l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c eo fd e - i o n i z e dw a t e r e t h y l e n eg l y c o l m i x t u r e sw a ss t u d i e d i t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g eb r e a k d o w ns t r e n g t ha n dt h e r e s i s t a n c er a t i oa r ei m p r o v e do b v i o u s l yw h i l et h er e l a t i v ep e r m i t t i v i t yo ft h e m i x t u r e s i sd e c r e a s e dal i t t l ei nn o r m a lt e m p e r a t u r e a tt h es a m et i m e ，t h ea v e r a g e b r e a k d o w nt i m ei sp r o l o n g e d f o re x a m p l e ，t h er e l a t i v ep e r m i t t i v i t yo ft h em i x t u r e o f5 9 o i s7 1 2 6 ，w h i c hi sd e c r e a s e d1 0 9 3 w h e nc o m p a r e dt ot h ew a t e r s ；t h e r e s i s t a n c er a t i oi s3 5 7 1 mq c m w h i c hi si m p r o v e d2t i m e s t h ea v e r a g e b r e a k d o w ns t r e n g t hi s1 4 2 8 1 k v c mw h e nt h ea v e r a g eb r e a k d o w nt i m ei s 7 3 1 m s ， w h i c hi s i m p r o v e d 3 5 2 0 w h e n c o m p a r e d t ot h ew a t e r s s e e nf r o mt h e e x p e r i m e n t s ，t h ea v e r a g eb r e a k d o w ns t r e n g t ha n dt h er e s i s t a n c er a t i oa r ei n c r e a s e d w h i l et h er a l a t i v ep e r m i t t i v i t yi sd e c r e a s e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni si m p r o v e d f i n a l l y ，t h ef r e e z i n gp o i n to fd e i o n i z e dw a t e r e t h y l e n eg l y c o lm i x t u r e sa n d t h ee l e c t r i c i t yp e r f o r m a n c eo ft h e mw e r es t u d i e di nl o wt e m p e r a t u r e i t ss h o w e d t h a tt h er e l a t i v ep e r m i t t i v i t ya n dt h er e s i s t a n c er a t i oa r ei n c r e a s e dw h e nt h e t e m p e r a t u r e i sd e c r e a s e d f u r t h e r m o r e ，t h ef r e e z i n gp o i n to ft h em i x t u r ei s d e c r e a s e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni si m p r o v e d f o re x a m p l e ，t h ef r e e z i n gp o i n to f t h em i x t u r eo f5 9 0 i s 3 9 k e yw o r d s ：d e i o n i z e dw a t c r e t h y l e n eg l y c o lm i x t u r e ；r e l a t i v ep e r m i t t i v i t y ；w a t e r t r a n s m i s s i o nl i n e ；b r e a k d o w ns t r e n g t h ；b r e a k d o w nt i m e 第v i i页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图1 1 典型高斯曲线2 图1 2 击穿场强与压强关系图2 图1 3 加入s f 6 后的击穿电压4 图1 4 加入s f 6 后的有效时间4 图1 5 等间隙不同电极的j v 关系曲线6 图1 6 等间隙a u 及n i 电极的j v 关系曲线6 图1 7 2 0 与击穿次数的关系曲线6 图1 8 不同电极材料作用密度对电压的关系曲线7 图1 9 # 3 0 4 不锈钢作用密度对电压的关系曲线7 图1 1 0 涂有黑腊的电极结构图( 左) 及电路图( 右) 8 图1 1 1p t 电极j - v 关系曲线 ( a ) 涂有o 1m i l l 黑腊( b ) 涂有o 5m m 黑腊8 图1 1 2e 。对温度的关系曲线9 图1 1 3 磁块在阳极时的最大电压值1 0 图1 1 4 磁块在阴极时的最大电压值1 0 图1 1 5 不同传输时间下击穿场强与压强的关系曲线1 1 图1 1 6 水中质子运动机制 1 6 图1 1 7g r o t t h u s s 机制1 7 图2 1 实验装置图 1 9 图2 2 装置示意图1 9 图2 3 水介质传输线装配图1 9 图2 4 介质击穿后在内筒外表面留下的毛刺2 1 图2 5 用于打磨内外筒的一些器件2 1 图2 6 打磨抛光后内筒的效果图2 1 图2 7 打磨抛光后外筒的效果图2 1 图2 8 分压器和衰减器的定标示意图2 2 第 l i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 9 分压器和衰减器的定标波形 图3 1 实验装置等效电路图 图3 2 内外筒间电场强度随半径的变化示意图 图3 3 a n s y s 模拟水介质传输线内外筒间的电场分布图 图3 4 当外筒内表面附近存在5 个微气泡时a n s y s 模拟的水介质传输线内外筒间的电场分布图2 7 图3 5a n s y s 模拟的微气泡附近的电场分布图2 7 图4 1 实验的等效电路图2 9 图4 2p s p i c e 模拟的传输线上的电压波形。2 9 图4 3 实验得到的传输线上的电压波形2 9 图4 4 去离子水的击穿电压波形图一3 0 图4 5 平均击穿电压随充电电压的变化3 0 图4 6 平均击穿时间随充电电压的变化3 0 图4 7 平均有效时间随充电电压的变化3 1 图4 8 实验等效电路图3 1 图4 9p s p i c e 模拟的传输线上的电压波形3 2 图4 1 0 实验得到的传输线上的电压波形3 2 图4 1 1 浓度为3 6 5 的混合液的击穿波形图3 3 图4 1 2 浓度为4 8 7 的混合液的击穿波形图3 3 图4 1 3 浓度为5 9 o 的混合液的击穿波形图3 3 图4 1 4 浓度为7 1 2 的混合液的击穿波形图 3 3 图4 1 5 充电电压为2 0 k v 时击穿电压随浓度的变化一3 4 图4 1 6 充电电压为2 5 k v 时击穿电压随浓度的变化3 4 图4 1 7 充电电压为2 0 k v 时击穿时间随浓度的变化3 5 图4 1 8 充电电压为2 5 k v 时击穿时间随浓度的变化一3 5 图4 1 9 浓度为4 8 7 对击穿电压随充电电压的变化3 6 图4 2 0 浓度为7 1 2 时击穿电压随充电电压的变化3 6 图4 2 l 浓度为4 8 7 时击穿时间随充电电压的变化3 6 第l i i页 挖 绉 巧 拍 国防科学技术人学研究生院学位论文 图4 2 2 浓度为7 1 2 时击穿时间随充电电压的变化3 6 图4 2 3 浓度为4 8 7 时有效时间随充电电压的变化t 3 7 图4 2 4 浓度为7 1 2 时有效时间随充电电压的变化3 7 图4 2 5 充电电压为2 0 k v 时有效时间随浓度的变化3 7 图4 2 6 充电电压为2 5 k v 时有效时间随浓度的变化 3 7 图4 2 7 相对介电常数随浓度的变化3 8 图4 2 8 电阻率随浓度的变化3 8 图4 2 9 充电电压为1 5 k v 时去离子水与混合液击穿电压波形比较4 0 图4 3 0 充电电压为2 0 k v 时去离子水与混合液击穿电压波形比较4 0 图4 3 1 充电电压为1 5 k v 时去离子水与混合液平均击穿电压的比较4 2 图4 3 2 充电电压为2 0 k v 时去离子水与混合液平均击穿电压的比较4 2 图4 3 3 充电电压为2 5 k v 时去离子水与混合液平均击穿电压的比较4 2 图4 3 4 充电电压为1 5 k v 时去离子水与混合液平均击穿时间的比较4 3 图4 3 5 充电电压为2 0 k v 时去离子水与混合液平均击穿时间的比较4 3 图4 3 6 充电电压为2 5 k v 时去离子水与混合液平均击穿时间的比较4 3 图4 3 7 充电电压为2 0 k v 时去离子水与混合液平均有效时间的比较4 4 图4 3 8 充电电压为2 5 k v 时去离子水与混合液平均有效时间的比较4 4 图4 3 9 去离子水与混合液相对介电常数的比较4 4 图4 4 0 去离子水与混合液电阻率的比较4 4 图4 4 1 去离子水和各种浓度混合液m 值的比较图4 5 图4 4 2 浓度为7 0 的混合液的相对介电常数随温度变化示意图4 7 图4 4 3 浓度为7 0 的混合液的电阻率随温度变化示意图4 8 表1 1 去离子水与乙二醇混合液电性能实验数据3 表1 2 不同电极材料击穿实验数据5 表4 1 去离子水击穿实验数据3 0 表4 2 浓度为3 6 5 的混合液击穿实验数据3 3 表4 3 浓度为4 8 7 的混合液击穿实验数据3 3 表4 4 浓度为5 9 0 的混合液击穿实验数据3 4 第 l v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表4 5 浓度为7 1 2 的混合液击穿实验数据3 4 表4 6 停止循环后混合液的电性能随时间的变化3 9 表4 7 充电电压为1 5 k v 时去离子水与混合液的击穿实验数据，4 1 表4 8 充电电压为2 0 k v 时去离子水与混合液的击穿实验数据4 l 表4 9 充电电压为2 5 k v 时去离子水与混合液的击穿实验数据4 l 表4 10 去离子水与混合液相对介电常数和电阻率的实验数据一4j 表4 “去离子水和各种浓度混合液的m 值4 5 表4 12 不同浓度混合液的冰点实验数据4 7 表4 13 浓度为7 0 的混合液相对介电常数随温度变化的实验数据4 7 表4 1 4 浓度为7 0 的混合液电阻率随温度变化的实验数据4 8 第 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：去矗i 盔复乙三醛显佥遗塾性鳇数塞坠盈窒 学位论文作者签名：一i ； j 王l e ta ：西万援烨 矗月2 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 去盔i 盛生己三美遣企盎整蛙能鲍塞坠珏盎 学位论文作者签名： 蹒! ：垒坠 日期：。b 雌年o 月上日 作者指导教师签名：童q 金瓤一 日期：槲年a 月2 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 水具有高的相对介电常数( 约8 0 ) ，在相同的储能条件下，水介质电容器在体积上可 比其他介质电容器小3 0 4 0 倍。同时水介质具有自我恢复的能力，水旦发生击穿，它可 以迅速恢复到初始状态，但油等其他液体介质由于击穿导致炭化从而使性能降低。因此， 在脉冲功率系统中常以水介质电容器作为中间储能电容器。 乙二醇又名甘醇，俗称防冻液，为无色透明粘稠液体，具有吸湿性，易燃，其凝固点 为一1 1 5 ，它能与水以任意比例混溶。研究表明，乙二醇与水混合后可以降低水介质的 冰点，随着乙二醇浓度的增加，其冰点持续下降。当乙二醇浓度达到5 8 时，其冰点可达 到6 8 。因此去离子水中加入乙二醇可以解决水介质在低温下结冰的问题。 1 1 水介质击穿的研究现状 在脉冲功率器件中我们以水作为绝缘介质，是因为水具有很高的相对介电常数。脉冲 功率器件尺寸的大小取决于绝缘介质的储能密度。以平板电容器为例，其电容为： c = 8oe 。a d ( 1 ) 其中，o 为真空的介电常数( 8o = 8 8 5 1 0 1 2 f m ) ，e ，为绝缘介质的相对介电常数， a 为平板电极的表面积。储存在电容器中的能量为： w = o 2 ) c u 2 ( 2 ) 其中，u 为外加电压。电场强度e 等于电压u 除以问距d ，代入能量方程得到： w = ( t 2 ) o 。a e 2 d( 3 ) 由能量方程我们得到平板电容器中绝缘介质的储能密度为： v = ( 1 2 ) 。o f ( 4 可见，电容器中绝缘介质的储能密度与绝缘介质的相对介电常数成正比，同时与绝缘 介质中电场强度的二次方成正比( 该结论同样也适用于其它类型的电容器) 。通过采用具 有高相对介电常数的绝缘介质，同时提高它的击穿场强，可以增大绝缘介质的储能密度， 从而减小脉冲功率器件的尺寸。因此，我们要求高储能电容器的绝缘介质不仅相对介电常 数比较高，而且其耐高电压性能要好。水具有高的相对介电常数( 约8 0 ) ，比其它的绝缘 第1页 国防科学技术大学研究生院学位论文 介质高3 0 4 0 倍，要将其用作电容器的绝缘介质还要求它具有较高的击穿场强。因此国内 外科研人员对水介质的电性能及外界因索对其电性能的影响进行了广泛而深入的研究，具 体总结为以下几个方面： ( 1 ) 经典j c m a r t i n 公式 1 9 世纪6 0 年代早期，j c m a r t i n 在室温及标准大气压下对水的击穿特性进行了初步的 实验研究。并给出了描述实验数据的几个公式。其中最重要的两个为： j e 电极：f = 0 3 t0 届a 1 1 0( 5 ) 负电极：f = o 6 1 。一厅a u l 0( 5 ) 其中f 为击穿电场强度( m 、恤) ，a 为有效面积( a i l2 ) ，t 咀为有效时间( ) 。该公式给 出在给定有效时间内要使水介质击穿所需要的电场强度，如取r 孵= 1 ，a = i 啪2 ，对于正 电极则由第一个方程得出f = o 3m v e m ，即当电场强度大于o 3m v c m 时正电极将发生击 穿。由m a r t i n 公式可知负电极击穿电场强度为正电极击穿电场强度的两倍。同时m a r t i n 在实验中测得的击穿场强具有高斯分布特性，如图 1 1 所示。m a r t i n 公式中的f 值为高斯曲线的最大 值，根据m a r t i n 经验公式计算得到的击穿场强值 通常称为j c m 量值。由曲线看到，击穿场强为 6 0 j c m 时，水击穿的概率很小。m a r t i n 公式基于 实验数据而非理论，它仅适用于面积较小的电极。 ( 2 ) 加压对水介质击穿特性的影响 a b r a m y a n 及k o m i l o v 1j 为研究气压对击穿场 强和击穿时间的影响进行了大量的工作他们指 出：当气压由1 7 m p a 上升至1 3 4 m p a 时，击穿场 强由3 6 0 k v c m 上升到6 4 0 k v c m ，提高了近两倍。 研究结果表明击穿场强与气压近似呈线性关系， 图1 1 典型高斯曲线 且击穿场强与气压的关系近似为2 4 k v ( c m m p a ) ，图1 2 击穿场强与压强关系图 如图1 2 所示。他们还指出：当气压从0 3 m p a 上升到1 0 1 l p a 时，有效时间t 。从5 0 n s 上升至1 0 。 s i n c e r y 2 1 研究了气压对击穿场强和击穿时间的影响。当气压从1 0 1 k p a 上巷到3 0 8 k p a 时，击穿场强从2 1 8 k v c m 上升到2 3 6 k v c m ，有效时间从2 9 上升到3 5 p s 。另外，j s 第 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 m i r z a 等人【3 i 从量子理论出发，得出液体的击穿场强与p l ”近似成线性关系。 m i l l e r 4 也进行了加压条件下的水击穿实验。其实验表明：当两电极间距为1c m ，气 压为6 7 个大气压时，得到击穿场强为6 0 8 k v c m 。同时m i l l e t 的研究也证明j s m i r z a 等人的结论是成立的。 ( 3 ) 除气程度对水介质击穿特性的影响 s i n c e r y l 2 l 研究了除气程度对击穿场强和有效时间的影响。他指出，当除气程度由0 上 升至9 0 时对击穿场强没有明显影响，但可以影响水介质击穿后的恢复时间。除气程度越 高，因击穿产生的气泡消散的越快，从而加快水介质的恢复。若不进行除气处理，水介质 的恢复时间通常需要一个小时。 ( 4 ) 水介质流速对水介质击穿特性的影响 s i n 。e 2 l 还研究了水介质流速对击穿场强及有效时间的影响。其研究表明：当流速由 1 2 6 m f s 上升到6 3 0 m i l s 对水介质的击穿特性无明显影响。他同时发现：当流速不同时，电 极上的击穿点是不同的，当流速较低时击穿区域较小，而当流速较高时，击穿区域则较大。 s i n c e r y 经过研究还发现水阻的变化对水介质盼击穿场强没有明显影响。 ( 5 ) 添加剂对水介质击穿特性的影响 f e r m e m a n s l 研究了球板电极下乙二醇对水介质击穿场强、相对介电常数及有效时间的 影响。他在室温下测得纯水的击穿场强为1 3 0 k v e m ，当加入9 5 的乙二醇，温度为2 8 。c 时， 击穿场强上升至2 7 0 k v ，c m ，击穿场强提高了一倍多。他得出：通过改变浓度及温度，可以 改变击穿场强、相对介电常数及有效时间。如当浓度为6 0 的去离子水与乙二醇的混合液 在一3 0 c 时，相对介电常数为8 0 当浓度为8 0 的去离子水与乙二醇的混合液在一1 0 时， 有效时间升至i m s 。表1 1 给出了f e n n e m a n 的一些实验数据。 表1 1 去离子水与乙二酵混合液电性能实验数据 第3页 国舫科学技术大学研究生院学位论文 中国科学院电工研究所张适昌等人【6 1 对乙二醇水混合物作脉冲形成线的绝缘介质进 行了研究，描述了用乙二醇去离子水混合物作脉冲形成线的绝缘介质时固有时间常数与温 度、浓度的关系。当乙二醇去离子水混合物在t - 3 0 。c ，乙二醇的体积百分比为5 0 ，去离 子水电阻率p ) 0 1 8 m q m 时，混合物的固有时间常数大于1 0 m s o v c h i m a i k o v 及y a n s h i np l 在预击穿研究中利用h c i 来降低水介质的电导率，他们研究 了水介质中加入h c i 后最大击穿场强及有效时间是否有变化。m a g n ek r i s t i a i l s e n 【8 1 通过实 验发现h c i 等化学物质的加入，可以降低水的电导率，且随着h c i 浓度的增加，击穿场强 降低，而击穿时间延长。h c i 加入后，一方面，h + 数目的增加，影响了通过产生一个过剩 的水合氢分子而导致的电荷转移过程；另一方面，质子离开电极表面时被c l - 离子捕获，从 而减少了可能触发放电的质子。 s f 6 因为具有电负性而广泛应用于脉冲功率领域。当电子穿越间隙时它能够俘获能量 较低的电子，在火花间隙开关中，常使用s f 6 来增加开关的电压阈值。因此研究人员研究 了水介质中加入s f 6 后是否能够提高水介质的击穿电压及有效时间，他们发现水介质中加 入s f 6 后有效时间有较大幅度的延长。图1 3 及图1 4 给出了他们的研究结果。 翻币- 由_ 啊删球， i p 曲哪_ d 删t 1 曲i i p 图1 3 加入s f 6 后的击穿电压雷1 ，4 加入s f 6 后的有效时间 n o y e l 、j o r a t 、d e r r i c h e 及h u c k 9 】研究了在低温下去离子水酒精混合液的相对介电 常数的变化，他们给出温度( t ) 、酒精摩尔百分比( x ) 及静介电常数( e5 ) 之间的关系式为： “t = 以寺睾 其中，a 、b 和c 是由实验条件决定的常数。他们同时指出，。髓着酒精的摩尔百分 比的增加而减小，而随着温度的降低e 。将变大。当酒精的摩尔百分比为4 0 9 6 ，温度为一1 0 0 第 4 页 辖 8 o )a，jio， 国防科学技术大学研究生院学位论文 时，。达最大值1 2 0 。 ( 6 ) 电极材料对水介质击穿特性的影响 z a h n 、o h k i 、r h o a d s 、l a g a s s e 及m a t s u z a w a l l o i 等人研究了不同电极材料对击穿场强 的影响。他们研究发现；不锈钢电极优于铝电极，它可使击穿场强由1 l o k v c m 提高至 1 2 5 k y c m ，黄铜电极的击穿场强最高，可达到1 4 5 k v c m ，而铜电极最稳定，其平均击穿场 强为1 3 5 k v c m 。他们还研究了正负电极分别采用不同电极材料时对击穿场强的影响，其中 最重要的发现是当以黄铜为负电极而以铝为正电极时击穿场强达最小值9 0 k v c m 。他们采 用间距为l c m ，面积为i m x 3 2 c m 的平板电极进行击穿实验后得到的数据如袭1 2 所示。 表1 2 不同电极材料击穿实验数据 s t a i n l e s ss t e e l + s t a i n l e s ss t e e l 一a 1 u m i n u m + a l u m i n u m - 11 0 k v c m ( 1 2 t i m e s )1 t 0k v c m ( 2 9 t i m e s ) 1 1 5 k v e m ( 1 2 t i m e s )1 1 5k v c m ( 9 t i m e s ) 1 2 0 k v c m ( 4 t i m e s ) 1 2 0 k v c m ( 2 t l m e s ) 1 2 5k v e m ( 6 t i m e s ) b r 8 s s + b r 8 s s 一 c o p p e r + b r a s s 一 1 1 5 k v c m ( g r i m e s ) 11 0 k v c m ( 1 0 t i m e s ) 1 2 5k v c m ( 1 0 t i m e s )1 1 5k v c m ( 8 t i m e s ) 1 3 0 k v c m ( i t i m e ) 1 2 0 k v c m ( 1 t i m e ) 1 4 5 k v u m ( 2 t i m e s ) s t a i n l e s ss t e e l + a l u m i n u m -b r a s s + a l u m i n u m - 1 2 5k v c m ( 4 t i m e s )1 2 5k v c m ( 2 2 t i m e s ) 1 3 0 k v c m ( 1 4 t i m e s ) 1 3 0k v c m ( 1 3 t i m e s ) 1 4 0k v c m ( 2 t i m e s )1 3 5 k v c m ( 2 t i m e s ) b r a s s + c o p p e r c o p p e r + c o p p e r 一 1 1 0 k v i c m ( 1 9 t i m e s ) 1 3 5 k v c m ( 2 4 t i m e s ) s t a i n l e s ss t e e l + b r a s s 一 c o p p e r + s t a i n l e s ss t e e l 一 11 5 k v c m ( 2 0 t i m e s )1 1 0k v c m ( 1 9 t i m e s ) 1 2 0k v c m ( 6 t i m e s )1 1 5k v c m ( 3 t i m e s ) s t a i n l e s ss t e e l + c o p p e r 一 c o p p e r + a l u m i n u m 一 1 1 5k v c m ( 1 9 t i m e s )1 0 0 k v c m ( 1 9 t i m e s ) 1 2 5 k v c m ( 2 t i m e s ) 1 2 5 k v c m ( 2 t i m e s ) a l u m i n u m 十 b r a s s -a l u m i n u m + s t a i n l e s ss t e e l 一 9 0 k v t c m ( 1 9 t i m e s ) 1 0 5 k v c m ( 2 0 t i m e s ) 9 5 k y c m ( 1 7 t i m e s ) 1 i 0 k y l c m ( 1 t i m e ) a l u m i n u m + c o p p e r -b r a s s + | st a i n l e s ss t e e l - 1 1 0 k v e m ( 2 0 t i m e s )1 2 5k v c m ( 1 9 t i m e 8 ) 第 5 页 国防科学技术大学研究生院。学位论文 s z k l a r c z y k 、k a i n t h l a 及b o c k r i s l l l 】通过实验比较了铂、铜、铁、镍、金和钴电极材 料对击穿场强的影响。铂、铜、钴及铁电极情况下的电流密度与电压之间的关系示于图1 5 。 山该图可知：对于图中的四种材料，铜电极具有较好的耐击穿特性。金及镍电极情况下的 电流密度与电压之间的关系示于图1 6 。比较图1 5 及图1 6 可知：以金作为电极材料效果 优于铜电极，而镍电极效果最差。 爹 薹 董 图1 5 等箍瞬环同由极的j - v 关系曲线图1 6 等 司隙_ u 及n i 电极的j 1 关系曲线 f e r m e m a n 1 2 j 研究了铜( c u ) 、不锈钢( s s ) 、黄铜( b r a s s ) k 铝( ) 电极的性能，他 利用j c m a r t i n 的关系式e 。t 。i 3 _ 一i l i ，n 1 “。测出了各种材料的m 值( 其中巳。为各次击穿时 的最大电场强度) ，其表达式为： n = 百1 善瓦“一3 彳。1 儿。 ( 8 ) f e n n e m a n 通过对各种电极材料进行2 0 0 次击穿实验，并对每2 0 次击穿的m 值取平均 后得到图1 7 。通过图1 7 可以发现铝的重复击穿性能较差。 圈1 7 m ，与击穿次数的关系曲线 第6页 薹童l 国防科学技术大学研究生院学位论文 g c h m a n 1 3 l 研究了各种电极材料及它们的作用密度( 能量密度与有效时间的乘积) 。 图1 8 给出了铝、阳极氧化铝、黄铜及铜的作用密度曲线，图中还给出了四种材料的击穿电 压阈值。由图可见阳极氧化铝的性能优于其他三种材料，其击穿电压闽值较锚提高了近 2 0 。因此，对材料作阳极化处理有助于提高材料的击穿电压闽值。图1 9 给出了不锈钢 在喷粒( b b ) 及耐氧电解抛光( e p ) 处理后的作用密度曲线。钝化处理使不锈钢的表面形 成一层氧化铬保护膜，阻止金属离子进入水介质，从而使击穿性能得到改善。由图1 9 可 见，经过处理后的不锈钢性能最好，同时比较图1 8 及图1 9 发现不锈钢电极优于其他材料 的电极。 銎 4 要：“? ：4 炒 ”v 盛c e 茹) “一”“。 圈1 8 不同电极材料作用密度对电压的关系曲线图1 9 # 3 0 4 不锈钢作用密度对电压的关系曲线 m c l o e d 及g e h m a n 4 1 研究了钙0 4 、# 3 1 0 、# 3 1 6 、私0 3 不锈钢及# 7 0 7 5 、# 5 0 8 3 、# 2 0 2 4 、 # 6 0 6 1 铝的性能，比较了它们耐高电压的能力。比较得知# 4 3 0 不锈钢及# 6 0 6 1 铝的性能最 好，它们的平均击穿场强达到1 7 0 k v c m 。以躬0 4 不锈钢为阳极，而以# 2 0 2 4 铝为阴极时的 击穿场强为1 4 5 k v c m ；以鹕0 4 不锈钢为阴极，而以# 2 0 2 4 铝为阳极时的击穿场强为 1 0 0 k v c m 。但是将两个电极均在水中浸2 3 天后，以躬0 4 不锈钢为阳极、# 2 0 2 4 铝为阴极 时的击穿场强与以彤0 4 不锈钢为阴极、舵0 2 4 铝为阳极时的击穿场强相同。 ( 7 ) 电极形状及极性对水介质击穿特性的影响 k u z h e k i n ”l 研究了电极形状及极性对击穿场强及有效时间的影响。他采用个直径为 0 8 e r a 的杆状电极和一个直径为2 5 c m 的平板电极( 两者的材料均为不锈钢) 。实验中发现： 以杆状电极为正电极、平板电极为负电极时，击穿有效时间为0 5 a s ；而以杆状电极为负电 极、平板电极为正电极时，有效时间增大为2 0 l j s ，比前者提高4 0 倍，且两者的击穿场强 相差9 5 k v c m 。由此说明：当两个电极不对称时电极的极性是很重簧的。 第7 页 吨 ” h o i弓：i矗羞。菩i工譬 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 8 ) 电极表面涂层对水介质击穿特性的影响 s z k l a r c z y k 1 6 1 研究了当正电极表面涂上石蜡及黑土后对击穿的影响。图1 1 0 为扩散电 极的几何结构图和电路图，图1 1 1 给出了黑上层厚度对电流密度一电压关系的影响。他采 用直径为1 0 0 m 的平面端部镍阳极和直径为0 6 c m 的镍阴极，发现当电极表面涂上0 5 m m 的黑土层后击穿场强由8 k v c m 增至6 0 k v c m 。其击穿场强之所以这么低，可能是由于所采 用电极的尺寸及两者的间距过小的缘故。 m 酉瑁a r w a xr h 幻 图1 1 0 涂有黑腊的电极结构图( 左) 及电路图( 右) 图1 1 lp t 电极j - v 关系曲线 ( a ) 涂有o 1 m m 黑腊( b ) 余有0 5t n i n 黑腊 分析图1 1 0 中黑土与水界面的电场，由高斯定律： j ed s = q ( 0 r ) 式中，q 为自由电荷。黑土与水层的电压比为： 粤= 搓= 黜= 选i v , w i n , e v , w , ， c - 吒。l 。露。，。口，( o w ) 一 由于总电压v = u 。+ v ，蝴，得到： = ( 丧+ ，) ( 1 1 ) 第8页 国防科学技术入学研究生院学位论文 也可通过欧姆定律来计算v 0 。的值： v w 砒。，= i r w 。t 盯= i p w 蝴1 w - i e s( 1 2 ) 式中，i 为流经实验器件的电流，