自適應智能電磁防護材料測試方法研究

成偉，王妍，王赟，趙敏，曲兆明，盧聘，王慶國

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自適應智能電磁防護材料測試方法研究

成偉，王妍，王赟，趙敏，曲兆明，盧聘，王慶國

（軍械工程學院 靜電與電磁防護研究所，石家莊 050003）

目的 在強電磁場環境下研究自適應智能電磁防護材料的相變特性。方法 針對自適應智能電磁防護材料相變前后電導率的變化范圍大、需要強場激勵狀況，考慮測試系統強場生成、大動態范圍、測試精度以及相應的絕緣性和較高的安全性要求，采用電容充放電原理設計強場激勵測試電路，搭建絕緣環境，確保操作的安全性和測試數據的可靠性。結果 利用測試系統對現有商業化電阻器進行驗證試驗，得到的特性曲線與理論相一致。結論 測試系統能夠滿足自適應智能電磁防護材料相變特性試驗的需求，可獲取有效且可靠的測試數據。

智能電磁防護材料；電容充放電方法；強場環境

強電磁環境會對正常工作的電子設備產生極大的干擾，甚至直接導致設備損壞。利用防護材料屏蔽強電磁場是較為常用的一種電磁防護技術。傳統的電磁防護材料在屏蔽強電磁場影響的同時，對于具備收發功能的電子設備也會產生阻礙，影響設備的正常運行。與傳統電磁防護材料相比，新型智能化電磁防護材料在感知外部電場強度的變化后能快速調節其電磁性能，即刻發生絕緣/導電相變現象，電導率可以提升102~105倍。具有電場敏感、相變前后的電導率變化范圍大、相變時間短、相變可逆等特點。能極大提高復雜電磁環境下電子設備的工作效率。

當前具有相變特性的金屬氧化物晶體材料主要有ZnO和VO2以及在它們的基礎上摻雜各種添加劑的氧化物材料。對于ZnO及其摻雜氧化物的測試方法相對比較成熟，已經有標準可以參照。IEC1051-1:1991和對應的GB/T 10193—1997就定義了氧化鋅壓敏電阻器的測試指標和測試方法。根據標準的規定，已經有研究人員開發出多種自動化測試系統[1—4]，國外學者比如E.J.Yoo，J.H.Kim等人在研究ZnO相變機理時，使用了原子力顯微鏡（AFM，atomic force microscope）配合鉻電極、電流放大器，形成Cr/ZnO/Cr結構，測試得到材料的伏安特性[5]。二氧化釩（VO2）是一種金屬半導體相變氧化物，在68 ℃附近會發生相變效應，其電導率、透光率、磁化率等發生突變[6—7]。2000年研究發現，二氧化釩除了焦耳熱效應外，電場也可以使其電阻發生非線性突變。哈佛大學的研究小組在文獻[8]中綜述了近年來各種阻態變換氧化物的機理、制備、測試等研究狀況。

以上測試方法中材料厚度只有納米級，屬于小尺寸測量，所以不能滿足測試大尺寸材料的要求。另外這些測試方法對于電場效應測試存在不足。比如，四探針法不能產生MV/m級別的均勻強場環境，對于大多數高臨界場的材料無法測試；表面覆金屬電極的方法存在金屬原子擴散滲透到材料中導致材料性能變化的問題，有研究者提出VO2相變導電的銅絲模型[9]；對于電容測試方法，存在著由于薄膜極薄帶來的電容變化非常微小以及相應的測試靈敏度偏小的問題。因此，迫切需要探索新的場致相變電磁防護材料的測試方法。鑒于筆者在后續研究中需要研究材料的動態快沿電磁脈沖輻射場的響應特性和防護性能，文中探索研究了一種基于電容充放電原理的大尺寸自適應智能電磁防護材料相變特性的測試方法，可以在保證被測材料和測試設備安全的情況下確定智能自適應相變材料的臨界相變閾值、相變前后的變化規律等，為材料研制和評價提供了一種有效方法。

1 測試原理與系統設計

1.1 測試原理

智能材料的特性測試是研究電導率隨場強變化的規律，智能材料的預估阻值在MΩ以上，屬于高電阻。根據測量標準，高電阻的測量方法有兩種：伏安法和比較法。經分析比較，伏安法測量高電阻的測試方法更直接、方便。根據場致相變材料的普遍特性，對測試系統提出如下要求。

1）系統可提供強場范圍：0~3 MV/m。

2）絕緣要求：絕緣強度滿足2 MV/(cm·MPa)，避免沿面放電、空氣擊穿等環境因素的影響，保證能夠正常測試及人員和設備安全。

3）大動態范圍：0～600 A或1~6000 V。

4）小電流小電壓測量：采樣電壓精度為1 μV，采樣電流精度為1 nA。

根據自適應智能材料的相變特性設計了如圖1所示電路，作為智能材料測試系統的基本原理電路。

1.2 測試系統設計

1.2.1 系統組成設備的選取

從圖1可知，測試系統包含高壓直流電源、高壓電容器、采樣電阻、限流電阻、放電電阻、高壓開關及高壓絕緣導線。

電路中的電容器既要作儲能裝置，又要能承載電路中大動態電流變化，所以不能選取普通電容器，而應選用高壓無感脈沖電容器。以防護高空核電磁脈沖為目標，目前最新的HEMP標準為IEC61000-2-9，即幅度為50 kV/m的2.5/25 ns波形[10]。測試系統每次向材料施加的電場時間應近似于最新HEMP標準的半脈寬，因此電容器放電時間常數最大為25ns。

假設材料相變時的采樣電阻為10 Ω，則根據電容器時間常數[12]可知，最大為2.5 nF（忽略材料相變后的阻值）。因系統的設計測試范圍為0~3 MV/m，則電容器的充電電壓=6 kV（材料厚度為2 mm）。結合工程實際，電容器采用100 kV，0.03 μF的高壓無感脈沖電容器。

采樣電阻選用水電阻。水電阻阻值不受電壓變化的影響，改變水溶液的濃度、電極的截面積或電阻的長度，可以制作阻值在10 Ω~100 kΩ的電阻[11]。

電源采用NHWY6000-1系列直流高頻開關電源，輸出電壓0~6000 V連續可調，功率為6 kW。此電源輸出電壓穩定，輸出電流較大，能快速完成電容器充電。

限流電阻和放電電阻的功率大小取決于電容器的儲能、放電時間等，電容器儲能, 純電阻熱能。工程實際中，限流電阻和放電電阻采用6 kΩ、500 W的高壓無感電阻。

1.2.2 系統結構的設計

1）氣動開關。該測試系統屬于高壓測試，K1，K2，K3不能使用普通開關。為保證實驗安全和避免電器串擾，設計了一款氣動開關，如圖2所示。此開關可允許大電流通過，由于觸點為半圓設計，降低了電暈放電影響。通過氣體推動氣缸帶動觸點，實現電路的閉合與斷開功能。電路中的連接點間均采用50 kV高壓絕緣導線。

圖2 氣動開關

2）材料夾具。夾具經CST仿真結果如圖3所示。當材料兩端施加1 kV電壓，距離為10 mm時，獲得的場強為97 kV/m。

材料夾具設計為可移動式，如圖4所示。能夠固定材料并施加穩定的壓力，通過緊固手柄的定位銷保證電極與試樣的良好接觸，被測材料的最小有效接觸面積應大于電極的接觸面積，以便將接觸電阻降至最低。兩電極接觸面平行一致，必要時可在電極上加銅編織網或在被測材料上涂導電膠，避免接觸不良，影響測試結果。為了避免尖端放電，電極各面沿、邊均做倒角。

3）絕緣環境。測試箱如圖5所示，其中充入六氟化硫絕緣氣體，避免材料沿面放電。六氟化硫絕緣氣體是一種無毒、不燃燒、具有優異絕緣和滅弧性能的氣體[13]。相同狀態下是空氣相對密度的5倍，不易揮發，易于實現絕緣測試環境。測試箱中加入調溫板，保證測試環境溫度統一，保證測試的準確性。

1.2.3 測試系統的工作流程

如圖1所示，高壓直流電源通過限流電阻0經K1對脈沖電容器充電，當電容器充滿后，斷開K1閉合K2，電容對材料進行放電，若材料不能導通，則示波器無讀數，此時加在材料兩端的電壓即為電容器輸入電壓。若材料導通但未發生相變，則示波器的峰值電壓很小，根據歐姆定律即可算出材料相變前的電導、電阻、材料兩端的場強等參數；若材料發生相變，則示波器的峰值電壓很大，此時示波器峰值電壓的數值與相變前的峰值電壓之比在102倍以上。通過以上分析可得知，可以調節電源輸出電壓，直至材料發生相變。通過示波器的峰值電壓數據、材料的厚度等參數可以得出材料相變前后電導與場強的變化曲線。材料測試結束后，或需要進行更換材料時，防止電容器未完全放電完畢，此時應閉合K2，K3（常開開關），先將電容器放電完畢，保證人身安全。

2 系統驗證

利用研制的系統對摻雜的ZnO電阻片進行測試，測試結果如圖6—8所示。

通過測試數據和特性曲線可以分析出，材料的導電性能發生了量級變化。利用研制的系統和測試方法，經過實驗實際測試與摻雜ZnO電阻片的特性曲線、銀納米線復合材料特性曲線對比發現，測試曲線與被測材料的特性相符。此測試方法能正確表征被測材料的特性，并且在測試過程中，沒有出現放電等現象，說明絕緣設計滿足要求。

3 結語

基于電容充放電原理的自適應智能電磁防護材料測試方法，滿足測試要求，達到了設計目標，可以作為大尺寸相變材料的一種測試方法，有利于自適應智能電磁防護材料實驗研究工作的進展。

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Testing Method for Adaptive Intelligent Electromagnetic Shielding Material

CHENG Wei, WANG Yan, WANG Yun, ZHAO Min, QU Zhao-ming, LU Pin, WANG Qing-guo

(Research Institute of Electrostatic and Electromagnetive Protection, Mechanical Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Objective To study on the phase transition phenomenon of adaptive intelligent electromagnetic shielding material in electromagnetic field environment. Methods Based on large range of conductivity change, requirement of strong electromagnetic field motivation of adaptive intelligent electromagnetic shielding material and considering strong electromagnetic field generation of testing system, large dynamic range, precision, corresponding insulation and high safety requirement, the capacitance charge-discharge principle was adopted to design a test circuit for strong electromagnetic field motivation and create a insulation environment to guarantee safety of operation and reliability test data. Results The characteristic curve obtained in the verification test on commercial resistor with the testing system was in line with the theory. Conclusion The testing system meets the demands of phase transition property test on adaptive intelligent electromagnetic shielding material and can obtain effective and reliable test data..

intelligent electromagnetic shielding material; capacitance charging and discharging method; electromagnetic field environment

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.007

TJ04

A

1672-9242(2017)04-0032-04

2017-01-21；

2017-02-21

成偉（1981—），男，河北石家莊人，工程師，主要研究方向為高電壓技術、高壓電器及其智能化。

王慶國（1964—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為電磁防護理論與技術。