一种高压气体开关电极及其制备方法与流程

本发明属于高压气体开关电极领域，尤其涉及一种抗烧蚀的高压气体开关电极。

背景技术：

高功率微波(HPM)武器是一种潜在的强电磁辐射武器，它可以扰乱、损伤或烧毁民用或军用设备中的电子系统，使其暂时或永久功能失效。超宽谱高功率微波武器是HPM武器的一个重要形式。超宽谱高功率微波的频谱较宽，可以覆盖较多目标调整响应频率，不需瞄频即可实施攻击，其高功率特点可以对目标构成更大威胁。因此，超宽谱高功率微波武器将在现代信息战中发挥重要的作用。

超宽谱高功率微波产生系统的核心是脉冲功率源，其可产生纳秒级脉宽、高电压、高瞬时功率电压脉冲。高压气体开关是脉冲功率源的关键部件之一，电极烧蚀是影响开关工作寿命和稳定性的重要因素。电极烧蚀与电极材料的性能、电极表面形状、开关工作状态以及电极间距等有关。开关工作时，大量的能量需在电极表面耗散，而能量一旦超过电极材料熔化所需能量时，将会发生烧蚀甚至材料汽化，材料汽化产生的金属气，不但会降低开关的绝缘能力，还会造成电极材料损失，使开关电极间距发生变化，从而改变开关的工作状态。

随着高重复频率与长寿命开关技术的不断发展，抑制电极烧蚀对高功率气体火花开关的高重复频率及长寿命具有重要意义。常用电极材料有铜、铜钨合金、石墨及不锈钢等，大量实验验证这些常用电极材料依然存在不同程度的烧蚀，仍需不断寻找耐烧蚀的电极材料。

技术实现要素：

为了解决高压气体开关电极的耐烧蚀问题，本发明提出了一种高纯钨多晶涂层电极及其制备方法，该电极可在气压为4MPa至6MPa、气体火花自击穿开关导通电压为几百千伏和导通电流为几千安甚至几十千安量级的环境下工作。

金属钨具有优异的物理化学性能，如极高的熔点、高硬度、抗烧蚀、高耐磨蚀、抗氧化等。钨的蒸汽压在2000～2500℃高温下仍很低，且蒸发速度慢。在零件表面通过气相沉积法制备钨涂层,能够显著提高其抗烧蚀、耐磨蚀、抗氧化等性能。钨还具有优异的导电性能和比较稳定的化学性能。基于钨的诸多特性，较符合电极材料的耐烧蚀要求，但金属钨脆性强，传统的加工方法难以成型较复杂形状的制品。

本发明的技术解决方案是：

提供一种高压气体开关电极，其特别之处在于：包括基体及位于基体表面的涂层，上述涂层为钨多晶涂层。

基体的材质可以选择常用电极材料铜、铜钨合金、石墨及不锈钢等，考虑到纯铜导热率较高，上述基体的材质选择纯铜。

根据高压气体火花开关自击穿电极结构，上述基体的形状可以为平板、球头或环形形状。

为了保证涂层结合力，上述涂层厚度小于0.5mm。

本发明还提供一种制备高压气体开关电极的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据高压气体火花开关自击穿电极结构设计基体结构；

步骤二：清洁步骤一中电极基体表面；

步骤三：采用化学运输沉积的方法，在步骤二清洁后的电极基体表面生长高纯钨多晶涂层；

步骤四：将步骤三得到的电极进行抛光处理。

上述步骤三的具体过程为：

将纯铜基体放入沉积室，将质量纯度为99.99％的WF₆和体积纯度为99.99％的H₂以摩尔比为1:2～1:4的比例通入所述沉积室中，沉积温度为530℃～620℃，沉积1到2小时即可在纯铜基体表面沉积制备钨多晶涂层。

本发明的有益效果是：

1、本发明高压气体开关电极在纯铜电极基体表面制备高纯钨多晶涂层，位于电极表面的高纯钨多晶涂层可提高电极击穿部位的耐烧蚀性，该电极已经在高功率微波源的高压气体开关中得到了实例应用，也可推广应用至同类高压气体开关自击穿电极中。在相同条件下，与常用电极进行对比实验，本发明高纯钨多晶涂层电极具有较强的耐烧蚀特性。

2、本发明采用化学输运气相沉积方法，该方法不但降低生产成本且易在较复杂的表面成型。

附图说明

图1是高纯钨多晶涂层电极结构示意图；

图2是高纯钨多晶涂层电极安装结构示意图。

图中附图标记为：1-基体；2-高纯钨多晶涂层；3-气体开关外壳；4-开关绝缘子；5-电极导杆；6-高纯钨多晶涂层电极；7-紧固螺栓。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明电极包括基体1，基体1的形状可以是平板、环形或球头等多种形状；基体1的材质为纯铜材料。基体1的表面具有高纯钨多晶涂层2，为了保证涂层结合力，其厚度控制在0.5mm以内。

具体的制备方法为：首先根据高压气体火花开关自击穿电极结构设计基体1的结构；然后，将电极基体1表面做去油污清洁处理，随后采用化学输运沉积法在其表面生长厚度d小于0.5mm的高纯钨多晶涂层2，化学输运沉积法具体为：将质量纯度为99.99％的WF₆和体积纯度为99.99％H₂以1:2-1:4的比例通入沉积室中，沉积温度为530℃-620℃，沉积时间1-2小时，在纯铜基体表面沉积制备厚度小于0.5mm的高纯钨多晶涂层2；最后，将生长制备的涂层电极表面进行抛光处理，即可完成高纯钨多晶涂层电极的制备。

安装时，首先将如图2所示的气体开关所有零部件(气体开关外壳3、开关绝缘子4、电极导杆5、高纯钨多晶涂层电极6和紧固螺栓7等)采用酒精清洗干净；然后将两个电极导杆5分别插入两个开关绝缘子4的内孔中；高纯钨多晶涂层电极6的底面紧贴电极引杆，用紧固螺栓7将其与电极导杆紧固，(若电极为环形可在中间开孔采用螺栓紧固，如为平板则其后端可设计自带螺纹)，保障电极底部与环槽底部两端面最大面积的贴合；最后，开关绝缘子完成电极及电极引杆的安装后，将其固定于气体开关外壳3，并对开关内腔体充4～6MPa的高压绝缘气体即可。

安装结束后，进行放电考核实验。具体如下：给开关两电极充脉冲高电压280kV，监测放电电压；多次放电后，测量涂层电极的烧蚀量；电极烧蚀量的测量方法有多种，比如：称重法及电极尺寸测量等；本发明采用电极尺寸测量法，即测量实验前后电极的高度差，若大于0.5mm，则定义该电极失效。本实施例经过十万次放电测试，测量尺寸放电前后电极的高度差为0.1mm。

通过实验表明本发明的用于高压气体开关的高纯钨多晶涂层电极，提高了电极的耐烧蚀及开关的稳定性。

尤其是在高压气体开关实例应用中，相同条件下与常用电极进行对比实验，经过280kV工作电压下，十万次的放电实验，测量结果如下：高纯钨多晶涂层电极与纯铜电极的尺寸高度差分别为0.1mm和0.25mm，实验结果表明：高纯钨多晶涂层电极具有较强的耐烧蚀特性。