脉冲功率在快速加热方面的应用

引言
• 脉冲功率技术(Pulsed Power Technology)就是把较小功率 的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，将能量进行 压缩与转换，然后在极短的时间 (最短可为纳秒)以极高的功率 密度向负载释放的电物理技术。 • 脉冲功率技术是一门综合性很强的基础性学科，它涉及到电工材 料、等离子体科学、激光技术、微波磁学和光学、电子电路、工 程电磁场、高电压技术、电气测量、半导体技术等等。该学科萌 发于上个世纪30年代，在60年代有重大进展并形成公认的学科。 脉冲功率技术的主体是高功率脉冲电源，为脉冲功率的负载提供 电磁能量。
图 放电等离子烧结(SPS)装置简图
脉冲电流热加工原理
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采用传统的烧结技术，如无压烧结、热压烧结和热等静压烧结等， 烧结样品被设置于一个加热的空间，通过热传导和热辐射实现对样品 的加热。因间接加热，加热及冷却速度都受到很大制约；难以实现高 速升温、快速冷却，晶粒生长难以得到控制。与传统烧结方法相比， 放电等离子烧结即SPS具有以下主要特点:(l)升降温与烧结速度快，烧 结体系处于远离平衡状态，容易实现对材料的相组成、结构和组织的 控；(2)存在脉冲电流诱发的特殊外场作用，促使扩散、迁移和传质等， 对材料微观结构与组织形成产生影响；(3)利用模具的梯度设计可以实 现温差烧结，保证物性差异大的功能梯度材料体系同时致密化。 传统的热压烧结主要是由通电产生的焦耳热(I2R)和加压造成的塑 性变形这两个因素来促使烧结过程的进行。而脉冲大电流加热烧结过 程除了上述作用外，在压实颗粒样品上施加了由特殊电源产生的直流 脉冲电流和电压，从而在试样中产生电场和磁场，并有效地利用了在 粉体颗粒间放电所产生的自发热作用。在压实颗粒样品上施加脉冲电 压产生了如图所示的在通常热压烧结中没有的各种有利于烧结的现象。
脉冲加热的特点
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一是加压时通电加热和断电冷却同时进行、防 止了结合部浮起、虚焊，最适合于柔性材、线 材的热压焊、焊锡焊接及树脂粘结。
二是优越的温度、时间等参数的再现性可以实 现高品质产品的生产 三是局部瞬时加热方式能良好地控制对周围元 器件的热影响
脉冲电流的应用示例
LCD、PDP、手机等电子产品内的 柔性线路板的热压接、焊锡焊接等
研究现状
• 自从日本住友石炭有限公司报道了采用放电等离子烧结技术成功 烧结了氧化锆一一不锈钢功能梯度材料以来,该加工技术的应用 越来越广泛,对采用此方法烧结粉末方面的研究报道比较多。除 了用于烧结,由于脉冲大电流热加工技术本身所具有的特征,在材 料的焊接领域应该也是一种比较有前景的焊接方法之一。鉴于脉 冲大电流热加工技术的加热方式,我们建议该技术在焊接方面应 用时称为脉冲大电流热焊接更合理。将该工艺用于焊接来制备焊 接件的报道很少见,所查阅到的资料表明只有最初提出放电等离 子烧结技术的国家----日本报道了采用该方法来焊接材料。主要 有金属与金属和金属与陶瓷的焊接。
脉冲电流热加工应用(3)
• 7、其他应用 • 此外，利用脉冲大电流热加工技术开展了异种纳米材料的原位焊接、不锈 钢的焊接、TiB2陶瓷与金属的焊接、结构异形件的制备及高聚物的固化等。
• 综上所述，传统烧结方法对制备高性能陶瓷新材料有很多局限性，脉冲大 电流热加工技术对烧结和合成新材料显示出巨大的潜力。但由于该技术问 世时间不长，其烧结优势还远未发挥，有许多问题需要研究探讨。如某些 体系至今没有得到纳米材料，甚至脉冲大电流烧结晶粒比热压烧结还要大， 对均质材料来说，经常观察到组织结构不均匀；模具材质、形状、尺寸对 烧结的最终材料性能有很大影响等。因此，需要对烧结机理进行深入研究， 以达到合理有效控制烧结工艺、获得性能优良的新材料的目的。
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施加直流开关脉冲电压的作用
脉冲电流热加工应用(1)
• 1、梯度材料梯度：材料由于组分的梯度变化要求烧结温度梯度变化，在传统烧 结工艺的均匀热场中难以获得这种条件。脉冲大电流烧结过程可以利用梯形模 具，产生电流密度的梯度变化，实现梯度材料的变温烧结。烧结时间一般仅几 分钟，烧结体密度高于传统烧结方法制备的样品密度。目前已取得良好烧结效 果的梯度材料有:不锈钢/ZrO2、Ni/Al2O3、Al/高聚物、Al/植物纤维、多种梯 度材料。 • 2、纳米材料：纳米粉烧结成纳米块体是材料工作者长久以来追求的目标。由于 纳米粉体比表面积极大、有很高的表面活性，多达数小时的热压烧结导致晶粒 长大，很难获得真正意义上的纳米块体材料。从晶粒生长动力学角度考虑，要 求烧结过程在烧结活化能不变的前提下，尽量缩短烧结时间。脉冲大电流烧结 因其加热迅速，合成时间短，可明显抑制晶粒粗化，有可能为烧结纳米材料提 供一种有效途径。 • 3、多孔材料：脉冲大电流烧结技术不仅可在短时间内使难烧结的材料致密化， 而且选择合适的工艺参数(主要是压力)还可制取理想的多孔材料。近年日本用金 红石、切削铸铁粉、雾化铸铁粉等进行了脉冲大电流烧结多孔材料的研究。
Marx发生器
• Marx发生器（Marx Generator）是一种利用电容并联充电再串 联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出，它能模仿 雷电及操作过电压等过程。所以经常用于绝缘冲击耐压及介质冲 击击穿、放电等试验中。 • 其工作原理，如图
C为级电容，它们由充电电阻R 并联起来，通 过整流回路T-D-r充电到V。此时，因保护电 阻r 一般比R约大10倍，它不仅保护了整流设 备，而且还能保证各级电容充电比较均匀。 在第1级中g0为点火球隙，由点火脉冲起动； 其他各级中g为中间球隙，它们调整在g0起 动后逐个动作。 这些球隙在回路中起控制开关的作用，当它 们都动作后，所有级电容C就通过各级的波 头电阻Rf串联起来，并向负荷电容C0充电。 此时，串联后的总电容为C/n，总电压为 nV。n为发生器回路的级数。 由于C0较小，很快就充满电，随后它将与 级电容C一起通过各级的波尾电阻Rt放电。 这样，在负荷电容C0上就形成一很高电压 的短暂脉冲波形的冲击电压。 。
HDD、线圈、电容、电机、 传感器等漆包线的焊锡焊接
电脑等通信机器内的线缆、连 接口的焊锡焊接
继电器、打印机、小型相机等 的树脂热压结合
数码相机、手机等的CMOS、CCD与 FPC板的焊锡焊接
微波器件内部的金线热压结合 等等
脉冲功率在快速加热方面的应用 ----脉冲电流热加工
脉冲电流热加工 (P1SltrirnrtatTratmnt，比如烧结， 焊接等) 是九十年代发展起来的一 种材料快速制备新技术，它包括放 电等离子烧结与焊接、等离子活化 烧结与焊接、脉冲大电流扩散焊接 等。它具有升温、降温速度快、能 在较低的温度下烧结或焊接以及时 间短的特点。该技术己应用于梯度 功能材料、金属基复合材料、纤维 增强复合材料、纳米材料、多孔材 料等多种材料的烧结和不相容材料 之间的连接。
• 5、氧化物陶瓷超导材料：传统合成方法在制备Y-Ba-Cu-O、Bi一Sr-Ca-Cu-O 等超导材料时，为获得高温超导相，需使粉末和块体进行长时间的烧结与再结 晶处理，往往导致块体的密度降低。同时，再结晶处理期间的热膨胀各向异性 导致非晶-陶瓷体产生裂纹。 • 6、其他材料：利用脉冲大电流热加工技术，还可制备多种其它材料，如表所示。
参考文献
• [1] 王莹.高功率脉冲电源:第1版 [Ｍ].北京:原子能出版社，1991. • [2] 徐根应.大功率高频感应脉冲加 热特性研究.高压电器，1989， 8(1):35-41. • [3] 徐根应.感应脉冲加热物理基础 研究；1991年3月；第12卷第1期. • [4] 郑建毅，何闻. 脉冲功率技术的 研究现状和发展趋势综述 [J].机电 工程，2008，25(4). • [5] 谭天亚.脉冲大电流加热下的原 子扩散机理.武汉理工大学.申请硕 士学位论文.
展望未来
• 脉冲大电流烧结、焊接为什么如此之快是各国研究人员探索的热 点,多数学者从证明形成等离子的角度来解释这一现象。实际上, 脉冲大电流热加工过程是由原子的扩散过程来实现的。因此,原 子的扩散是决定脉冲大电流热加工的重要因素。在脉冲大电流加 工过程中原子是如何扩散的,与一般的加热烧结、焊接是否一样, 脉冲大电流形成的特殊电场及磁场是否对原子的扩散有大的推动 作用,弄清这些问题成为进一步揭示脉冲大电流热加工机理的关 键。
Marx的电路图解释
脉冲电流的特点及应用
• 脉冲加热是利用各种波形的脉冲电流，以时断时续的方式来加热 来达到一些特殊工艺要求。
• 脉冲电流是指方向不变，强度随时间周期性改变的电流，也叫脉 动电流。有些用户的负载需要断续加电，即按照一定的时间规律， 向负载加电一定的时间，然后又断电一定的时间，通断一次形成 一个周期。如此反复执行，便构成脉冲电源。例如对于无极性电 解电容器的老化工艺中，需要给电容器正向充电一段时间，然后 放电，然后反向给电容器充电一段时间，然后放电，如此便形成 正向→放电（断电）→反向→放电→正向，如此反复。又如，线 绕电阻的试验规则是：加电一段时间→断电一段时间，如此重复。 以上两例已涉及正向加电时间、断电时间、反向加电时间这三种 时间关系。
脉冲功率技术在快速加热中的应用
武汉大学 电气工程学院 School of Electronic Engineering and Automation,WHU.
摘要
• 脉冲功率技术又称高功率脉冲技术，它是一个研究在相对较长的 时间里把能量储存起来，然后经过快速压缩、转换，最后有效释 放给负载的新兴科技领域。 • 它的技术特点是高脉冲功率、短脉冲持续时间，高电压和大电流。 脉冲功率技术的应用非常广泛，其中快速加热就是一种。一般所 说的脉冲加热特别指工业上的脉冲热加工。 本文基于脉冲功率技术在快速加热中的应用为线索 首先，是讲诉了脉冲功率系统的基本组成和经典的Marx发生器； 其次，给大家讲解了什么是脉冲电流，它的特点和作用是什么； 随后，重点讲了脉冲功率技术热加工的原理及其应用，介绍了脉 冲热压机； 最后，是阐述了一下脉冲热加工的研究现状，展望了它的未来。
脉冲热压机
• 脉冲热压机，脉冲热压机利用变压器产生一个低电压的大电流， 通过焊接头令其迅速发热。这里的脉冲电流，具体可以指电流 的ON及OFF频率比例，此脉冲比例越大，电流输出越大，焊 接头升温越快。脉冲热压机将工件置于夹具（如有需要，可启 动真空将其固定）。将夹具送至焊接头下，按双开始键，焊接 头下压着工件（开始加热），温度按输入参数迅速上升及准确 恒温，最多可达4个温区（此时焊锡回流），吹气冷却（焊锡 凝固），焊接头上升（完成）。 • 通过在热压头上加载一定的脉冲电压，热压头发热，将与此相 连接的物体升温，当温度升到焊锡熔点后（即升到事先设定的 温度后），将与此相连的物体间锡熔融并将其连接在一起。一 般的脉冲热压机使用温度闭环的控制。 • 脉冲热压机应用在以下产品生产工艺中：USB排线焊接、软排 线FFC与软性线路板FPC或硬性线路板PCB的焊接、TCP与线 路板PCB或软性线路板FPC之间的焊接、软性线路板FPC与线 路板PCB之间的焊接等。
脉冲电流热加工应用(2)
• 4、金属间化合物：金属间化合物具有常温脆性和高熔点，因此其制备或生产需 要特殊的过程。利用熔化法(电火花熔化、电阻熔化、感应熔化等)制备金属间化 合物往往需要高能量、真空系统，而且需要对其进行二次加工(锻造)。利用脉冲 大电流制备技术合成金属间化合物，因为有效利用了颗粒间的自发热作用和表 面活化作用，可实现低温、快速烧结，所以该技术正成为制备金属间化合物的 一种有效方法。利用脉冲大电流烧结技术已制备的金属间化合物体系有:Ti-Al体 系、Mo-51体系、Ni-Al体系等。
• 脉冲加热是利用脉冲电流流过钼、钛等高电阻材料时产生的焦耳 热去加热焊接的方式。一般要在加热咀的前端连接有热点偶，由 此而产生的起电力实时反馈回控制电源来保正设定温度的正确性。 脉冲加热应用在多个工业领域，如热加工、金属淬火等。
脉冲功率系统的基本组成
典型的脉冲功率系统组成框图如图所 示。最基本的系统是由两个部分组成： 一部分是低功率水平的能量储存系统； 另一部分是高功率脉冲的产生和有效传 输到负载。人们在相对较长的时间内把 低功率水平的电能储存起来，如电力系 统提供的长时间连续运行的电能，对大 容量电容器组充电。存储的能量通过脉 冲放电得到高功率脉冲，再有效地释放 给负载。