顧 林，張 合，馬少杰，張曉晶

GU Lin, ZHANG He, MA Shao-jie, ZHANG Xiao-jing

（南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094）

0 引言

鐵電體爆電換能器通過(guò)爆炸產(chǎn)生的沖擊波沖擊鐵電體，使其迅速去極化，將儲(chǔ)存的極化能以電能的形式釋放出來(lái)，從而在負(fù)載上產(chǎn)生高功率脈沖電能[1]。鐵電體爆電換能器具有能量密度大、體積小、價(jià)格低廉和獨(dú)立性強(qiáng)的特點(diǎn)，是良好的適合單次使用的小型高功率脈沖激光電源，在工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域里有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。

鐵電體爆電換能裝置方面的研究報(bào)道較少，國(guó)外Jr. Mork[3]采用空氣炮作為沖擊波裝置，在容性負(fù)載下產(chǎn)生了81kV的峰值電壓；國(guó)內(nèi)賀元吉[4]和杜金梅[5]都采用平面波發(fā)生器作為沖擊波裝置，分別得到了峰值為1660A和5000A的脈沖大電流?？諝馀谶m合實(shí)驗(yàn)室研究，能夠多次試驗(yàn)；平面波發(fā)生器的平面度難以保證，沖擊載荷難以調(diào)節(jié)。采用爆炸驅(qū)動(dòng)飛片撞擊鐵電體，沖擊載荷可控，沖擊波平面度較好。本文設(shè)計(jì)了一種爆炸驅(qū)動(dòng)飛片撞擊式鐵電體爆電換能器的機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)，理論計(jì)算出飛片對(duì)鐵電體的沖擊載荷，并通過(guò)Simulink仿真模塊對(duì)鐵電體爆電換能器進(jìn)行放電特性研究。

1 鐵電體爆電換能物理模型

鐵電體（通常選用PZT95/5）垂直加載模式是指沖擊波加載方向與鐵電體極化方向pr垂直，圖1(a)是鐵電體爆電換能示意圖。賀元吉、杜金梅等人研究過(guò)負(fù)載為短路、容性的鐵電體放電特性[4,5]。本文研究負(fù)載為短路和小電感加小電阻兩種情況放電特性。圖1(b)是其等效電路圖。鐵電體等效為定值的電流源與定值電容并聯(lián)的形式。在沖擊波傳播過(guò)程中，由于波前界面與波后界面鐵電陶瓷的面積發(fā)生變化，等效的電容與電導(dǎo)也將發(fā)生變化[4,6]。

圖1 鐵電體垂直加載示意圖及等效電路

等效電路模型將鐵電陶瓷等效為隨時(shí)間t變化的電流源I(t)與電容C(t)、電導(dǎo)G(t)并聯(lián)?？紤]到介質(zhì)松弛效應(yīng)，將I(t)函數(shù)推導(dǎo)公式如下，式中tsc為松弛時(shí)間。

其中A=yz，電容C(t)、電導(dǎo)G(t)的計(jì)算文獻(xiàn)[4,6]中有詳細(xì)的推導(dǎo)，這里不再贅述。

2 換能器裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于鐵電體爆電換能原理，本文設(shè)計(jì)的鐵電體爆電換能器（如圖2所示）由雷管、雷管支承座、本體殼體、沖擊飛片（鋁片）以及PZT鐵電體支撐座組成。鐵電體（PZT陶瓷）被環(huán)氧樹(shù)脂灌封在PZT支撐座上。雷管引爆裝藥室炸藥后，產(chǎn)生爆轟波驅(qū)動(dòng)飛片撞擊鐵電體PZT陶瓷，使其去極化放電。換能器機(jī)械裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)裝藥室的空間容積、裝藥量以及空腔軸向距離來(lái)調(diào)節(jié)飛片速度，從而實(shí)現(xiàn)沖擊載荷可控。

圖2 換能器裝置結(jié)構(gòu)示意圖

裝藥室的藥量決定飛片速度，從而影響沖擊波陣面處產(chǎn)生的撞擊力和被撞擊物體內(nèi)的沖擊波初始波速。通過(guò)參考文獻(xiàn)[7]計(jì)算方法計(jì)算得出，4mm的裝藥長(zhǎng)度能夠產(chǎn)生大約8GPa的撞擊壓強(qiáng)，在被撞擊的鐵電體中產(chǎn)生初始波速達(dá)到4000m/s的初始沖擊波。鐵電體去極化相變約為1GPa至3GPa之間[3,4]，因此飛片撞擊式的沖擊波加載方案不僅完全能夠滿足引起鐵電體相變的初始條件，根據(jù)沖擊載荷要求縮減裝藥量，減小飛片行程，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。

3 放電特性仿真

通過(guò)Matlab/Simulink軟件對(duì)鐵電體去極化放電的等效電路進(jìn)行仿真，研究鐵電體爆電換能器的放電特性。仿真模型相比較于數(shù)值模擬直觀，無(wú)需書(shū)寫(xiě)大量程序公式函數(shù)，同時(shí)也避免了數(shù)值模擬計(jì)算的復(fù)雜性和不通用性。

因?yàn)閕=C(du/dt)，非線性電容元件可以用受控電流源來(lái)表示。電流源由其兩端的電壓來(lái)控制，建立非線性電容模型，該模塊包括受控電流源、電壓表、微分、乘積和編寫(xiě)的時(shí)變電容的S函數(shù)等模塊。由R(t)=1/G(t)，可建立電阻模型來(lái)替代電導(dǎo)模型，非線性電阻元件用受控電壓源來(lái)表示，電壓源由其兩端的電流來(lái)控制，建立非線性電阻模型，圖中S函數(shù)模塊為R(t)的S函數(shù)。在這基礎(chǔ)上建立鐵電體爆電換能器的等效電路仿真模型（如圖3所示），模型中sI、sC、sG分別為鐵電陶瓷時(shí)變電流源、電容、電導(dǎo)的S函數(shù)。

圖3 等效電路仿真模型

圖4 仿真電流波形圖

設(shè)置鐵電體性能下：極化強(qiáng)度Pr=32uC/cm2，鐵電陶瓷在發(fā)生相變前后的相對(duì)介電常數(shù)h1=1.6×10-8F/m，h2=0.9×10-8F/m；鐵電陶瓷在發(fā)生相變前后的電導(dǎo)率分別為常數(shù)g1=2.5×10-6(Ω·m)-1，g2=2.5×10-3(Ω·m)-1；松弛時(shí)間tsc=0.2us，尺寸參數(shù)x=10mm，y=35mm，z=4mm；小負(fù)載電參數(shù)R=1200mΩ，L=0.3μ H和短路負(fù)載；并聯(lián)個(gè)數(shù)n=100，在兩種不同負(fù)載下的仿真電流波形如圖4所示。

仿真結(jié)果表明，在短路負(fù)載下，鐵電體爆電換能器的放電電流波形近似為方波，小感性和小阻性復(fù)合負(fù)載下會(huì)出現(xiàn)阻尼振蕩波形。鐵電體去極化放電過(guò)程中電壓能達(dá)到數(shù)kV，因此鐵電體爆電換能器功率能夠達(dá)到MW級(jí)。

4 結(jié)論

本文對(duì)鐵電體爆電換能器沖擊波加載機(jī)械裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)其工作原理及等效電路進(jìn)行了介紹，根據(jù)電路模型，模擬仿真了短路負(fù)載和小負(fù)載下的放電特性。得出如下結(jié)論：換能器的功率能夠達(dá)到兆瓦級(jí)，短路負(fù)載下電流波形近似為方波，小感性和小阻性復(fù)合負(fù)載下會(huì)出現(xiàn)阻尼振蕩波形。本文為小型化高功率脈沖能源的設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)現(xiàn)方法。

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