39、铁电发电机：原理、设计与性能研究

铁电发电机：原理、设计与性能研究

1. 引言

自20世纪50 - 60年代起，相关实验室就开始研究压电和铁电材料在冲击波压缩下的物理和电学特性。这一研究在70 - 80年代持续进行，之后有所放缓，直到90年代末又在美国得以复兴。本文将探讨相关团队对紧凑型爆炸驱动冲击波铁电发电机（FEG）的系统研究。

研究涵盖了爆炸驱动冲击波FEG的详细描述、铁电材料冲击波去极化效应的实验结果、高低电阻负载下的脉冲功率生成，以及充电电容器组和矢量反转发生器等实际应用。所有实验结果均基于相同设计且包含相同类型铁电能量承载元件（锆钛酸铅：Pb(Zr₀.₅₂Ti₀.₄₈)O₃，即PZT 52/48）的FEG，便于比较不同运行模式下FEG的性能和效率。

2. 冲击波产生方法

2.1 气枪加速弹丸

早期对压电和铁电材料冲击波压缩的研究常使用气枪加速弹丸。气枪可实现沿材料极化矢量（纵向冲击波压缩）和垂直于极化矢量（横向冲击波压缩）的冲击波传播。然而，气枪系统因枪管尺寸大（10米）、系统质量大（超1000千克）和控制系统复杂，在实验室外应用不切实际。

2.2 电磁发射器加速飞片

Kristiansen等人尝试用加速飞片使FEG小型化。设计并制造的机电飞片发射器由六个200µF、10.0 kV的电容器组成，通过引燃管向放置飞片的扁平电感器放电。测试发现，直径40毫米、厚度3毫米的铝板是最佳飞片。但在电容充电电压4.5 kV时，飞片速度仅225 m/s，不足以在压电或铁电材料中产生足够强的冲击波。

此外，研究人员开发计算机代码模拟发射器和飞片运动，发现飞片初始加速速度是最终速度的2 - 3倍，但在电流峰值