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★吳慶越（北京軒宇空間科技有限公司，北京100190）

摘要：針對(duì)市場(chǎng)對(duì)高性能碳基新材料的迫切需求，尤其是第四代半導(dǎo)體基材、鋰離子電池負(fù)極材料、復(fù)合材料等對(duì)超高密度、超高純度炭材料的需求，開展中間相炭微球超高溫石墨化處理工藝及裝備研究?；谏羁仗綔y(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的磁等離子體動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，開展了基于強(qiáng)磁高密度超高溫等離子體電磁場(chǎng)耦合加速及調(diào)控、大功率分時(shí)分級(jí)電源啟動(dòng)控制、真空超高溫高效率中間相炭微球石墨化工藝制造、高效能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化研究。應(yīng)用磁等離子體動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行MCMB超高溫石墨化處理試驗(yàn)表明：應(yīng)用超高溫等離子體技術(shù)進(jìn)行石墨化處理，可獲得石墨化程度較高、微觀結(jié)構(gòu)特性優(yōu)異的碳素材料。基于深空探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的磁等離子體動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，真空下可迅速達(dá)到3000℃的高溫，十分鐘內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)中間相炭微球的高質(zhì)量石墨化，此種應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首例。實(shí)現(xiàn)了中間相炭微球石墨化過程所需的超高溫度、高效率和工業(yè)智能化控制，制備出具備超高密度、超高純度的材料，對(duì)提升我國新材料工藝制造裝備的整體技術(shù)水平有重大實(shí)際意義。

1 引言

石墨材料屬于無機(jī)非金屬材料。高密度、高純石墨材料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，在電工電子、機(jī)械、化工、冶金、核能、軍工、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在一些尖端領(lǐng)域也占有重要的地位。石墨化是一種高溫?zé)崽幚砉に?，泛指將碳基材料在高溫環(huán)境下改善材質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，縮小石墨層的間距，從而提高石墨化度的過程。石墨化過程大致可分為兩個(gè)階段:第一階段溫度在1000~1800℃，主要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，減少無定型碳微晶結(jié)構(gòu)邊緣的雜質(zhì)；第二階段溫度從1800℃上升到3000℃，碳原子微晶結(jié)構(gòu)開始發(fā)生物理變化，從平面網(wǎng)狀層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成三維有序結(jié)構(gòu)的石墨質(zhì)碳。2000℃以上的高溫處理是石墨化生產(chǎn)的關(guān)鍵過程，一般采用電加熱爐升溫^[6]。自1895年艾奇遜發(fā)明艾奇遜爐石墨化爐，石墨化爐的結(jié)構(gòu)有了很大的發(fā)展，包括艾奇遜爐、箱式爐、內(nèi)串式石墨化爐、連續(xù)式石墨化爐等^[5、8、9]。

在不添加任何粘結(jié)劑的前提下，中間相炭微球（Mesocarbonmicrobeads，簡稱MCMB）可以制備出各向同性碳材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高堆積密度、易石墨化、熱穩(wěn)定性好等特征，是一種制備高強(qiáng)高密碳石墨材料的優(yōu)秀前驅(qū)體。MCMB是在稠環(huán)芳烴化合物的炭化過程中形成的一種盤狀向列液晶結(jié)構(gòu)，是隨著中間相的發(fā)現(xiàn)研究和發(fā)展起來的。最早發(fā)現(xiàn)MCMB的時(shí)間可追溯到1961年，在研究煤焦化時(shí)發(fā)現(xiàn)在煤質(zhì)中有一些光學(xué)各向異性的小球體生成、長大進(jìn)而融并的現(xiàn)象，最終生成了鑲嵌結(jié)構(gòu)。這些各向異性的小球體就是MCMB的雛形。直到1973年，才從液相炭化瀝青中分離出MCMB，并開始利用球晶制造無粘結(jié)劑各向同性高密度炭材料^[1]。從MCMB發(fā)現(xiàn)至今近50年來，對(duì)MCMB的結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理、球晶分離技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究，初步得出了MCMB的結(jié)構(gòu)模型（“地球儀”型和“洋蔥”型）、形成機(jī)理，并提出了幾種生產(chǎn)MCMB的方法^[2~4]。

MCMB的石墨化產(chǎn)品性能指標(biāo)主要取決于加熱溫度，按照溫度劃分為低溫（小于2600℃）、高溫（2600-3000℃）和超高溫（大于3000℃）石墨化。由于目前傳統(tǒng)石墨化工藝爐的性能基本已達(dá)到上限，國內(nèi)外在該領(lǐng)域開展了等離子體處理的應(yīng)用研究。研究表明，未來以等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫石墨化為主要發(fā)展趨勢(shì)，通過工藝流程獲得一致性較好的產(chǎn)品^[7]。北京控制工程研究所的磁等離子體動(dòng)力技術(shù)在真空條件下已經(jīng)達(dá)到中心等離子體溫度高達(dá)10萬攝氏度，點(diǎn)火功率達(dá)166kW，離子速度達(dá)到60~80km/s，已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

應(yīng)用磁等離子體動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行MCMB超高溫石墨化設(shè)計(jì)，還存在多個(gè)難題需要解決。在高溫區(qū)域的調(diào)控方面，需進(jìn)一步優(yōu)化磁場(chǎng)與陰極的相對(duì)位置，使等離子體高溫區(qū)后移，減少離子對(duì)陰極表面的轟擊作用，使得高溫等離子體作用區(qū)域集中作用于目標(biāo)區(qū)域，提高整體效率。智能熱平衡系統(tǒng)是一個(gè)具有較大不確定性的復(fù)雜控制系統(tǒng)，需要解決具有強(qiáng)魯棒性的智能自適應(yīng)的控制方法的設(shè)計(jì)問題等。針對(duì)上述難點(diǎn)，開展了超高溫高密度等離子體多場(chǎng)耦合磁控、大功率分時(shí)分級(jí)電源啟動(dòng)控制、真空超高溫高效率MCMB石墨化工藝制造、高效能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化智能控制設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了MCMB等離子體石墨化處理試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了3000℃以上的穩(wěn)定高溫區(qū)域的試驗(yàn)，并獲得石墨化程度較高、微觀結(jié)構(gòu)特性優(yōu)異的碳素材料。

2 應(yīng)用磁等離子體動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行MCMB超高溫石墨化設(shè)計(jì)

針對(duì)MCMB材料石墨化特性需求，分別設(shè)計(jì)了超高溫高密度等離子體多場(chǎng)耦合磁控、大功率分時(shí)分級(jí)電源啟動(dòng)控制、真空超高溫高效率MCMB石墨化工藝制造、高效能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化智能控制。下面分別進(jìn)行介紹。

2.1 超高溫高密度等離子體多場(chǎng)耦合磁控技術(shù)

超高溫等離子體的設(shè)計(jì)由分級(jí)啟動(dòng)、磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和核心組件三部分組成。

2.1.1 分級(jí)啟動(dòng)設(shè)計(jì)

超高溫等離子體裝置主要由一陽極、二陽極、陰極組件、陽極極間絕緣密封、絕緣安裝件以及輔助件組成。其中，等離子體焚燒裝置核心組件陽極內(nèi)側(cè)處于真空艙內(nèi)，而陰極末端處于外側(cè)，便于更換陰極。

采取兩段絕緣的陽極結(jié)構(gòu)，一方面通過相對(duì)較近的陽極實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和低電流電弧的維持，另一方面二陽極與陰極距離較遠(yuǎn)且內(nèi)徑較大，進(jìn)一步提升電壓并擴(kuò)大有效燃燒區(qū)域。一陽結(jié)構(gòu)參照現(xiàn)有擴(kuò)張型結(jié)構(gòu)，同時(shí)長度和內(nèi)型面保持不變，與磁力線相匹配，減少等離子體在一陽內(nèi)部與壁面的撞擊導(dǎo)致分流；同時(shí)，一陽作為觸發(fā)極與陰極的間距和內(nèi)徑均保持不變，以滿足現(xiàn)有電源的觸發(fā)電壓。二陽的內(nèi)型面結(jié)構(gòu)對(duì)等離子炬的穩(wěn)定工作以及伏安特性具有一定的影響，尤其是在大氣條件下（研究表明，陽極突擴(kuò)型結(jié)構(gòu)有利于穩(wěn)弧，這主要與氣動(dòng)結(jié)構(gòu)所引入的湍流區(qū)有關(guān)）。類比在大氣下工作的電弧等離子體炬，目前常采取陽極突擴(kuò)型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)弧，其原理在于：當(dāng)在管狀電極末端將通道直徑擴(kuò)大形成臺(tái)階結(jié)構(gòu)時(shí)，其在特性電流下，電弧U-I曲線將會(huì)演變?yōu)槿紵谥睆綖槠交ǖ纼?nèi)徑的自穩(wěn)弧長型電弧的特性曲線，電弧徑向部分?jǐn)U大至整個(gè)通道內(nèi)。目前在結(jié)構(gòu)上采取突擴(kuò)型，而在尺寸長度上以經(jīng)驗(yàn)為主進(jìn)行試驗(yàn)。

上述設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于在前期試驗(yàn)階段易于更換陰極進(jìn)行研究，且供水供電均在艙外，不需要穿倉連接，降低系統(tǒng)安裝的復(fù)雜性，同時(shí)陰極陽極之間的放電僅能發(fā)生在真空倉內(nèi)。

2.1.2 磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

附加磁場(chǎng)對(duì)于超高溫等離子體裝置的工作特性有著重要的影響，無論是在裝置設(shè)計(jì)還是實(shí)驗(yàn)過程中，附加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和位型都是決定裝置性能的主要參數(shù)之一。前期的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：匹配的磁場(chǎng)強(qiáng)度和功率可以有效地提高裝置的效率，磁場(chǎng)均勻度好的附加磁場(chǎng)可以提高電離度，核心區(qū)域范圍更大、溫度更高。

（1）磁場(chǎng)構(gòu)型

超高溫等離子體附加磁場(chǎng)為收斂擴(kuò)張型磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以形成磁噴管，約束并加速裝置工作過程中產(chǎn)生的等離子體。當(dāng)磁線圈的長徑比較小時(shí)，磁場(chǎng)沿軸向衰減較快，這種磁場(chǎng)位型，稱為“發(fā)散型”磁場(chǎng)；反之，磁場(chǎng)沿軸向衰減較慢，稱為“細(xì)長型”磁場(chǎng)。細(xì)長型磁場(chǎng)可以使得羽流發(fā)散角更小，更利于提高裝置的性能。但是適當(dāng)?shù)陌l(fā)散角卻是形成磁噴管的必要條件，因此磁場(chǎng)的位型需要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)和工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)磁場(chǎng)位型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，獲得三維空間內(nèi)磁場(chǎng)位型的分布。具體來說通過控制線圈的尺寸、線圈的軸向電流密度分布和徑向電流密度分布來模擬產(chǎn)生不同類型的磁場(chǎng)位型，然后再將仿真結(jié)果輸入到工作過程的仿真程序中，分析不同磁場(chǎng)位型下裝置性能的變化情況，最終給出最佳磁場(chǎng)位型的分布。

（2）放電通道內(nèi)磁場(chǎng)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于放電通道較短，因此附加磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)方向在放電通道區(qū)域近似平行于軸向，且磁場(chǎng)強(qiáng)度沿軸線近似均勻。附加磁場(chǎng)的磁力線近似與軸向平行，故可只考慮附加磁場(chǎng)的軸向分量，并且認(rèn)為場(chǎng)強(qiáng)僅為徑向坐標(biāo)的已知函數(shù)，僅考慮感生磁場(chǎng)的未知周向分量。等離子體流動(dòng)通道內(nèi)電磁場(chǎng)與流場(chǎng)通過廣義歐姆定律耦合在一起。電磁場(chǎng)中可由感生磁場(chǎng)直接導(dǎo)出電流與洛倫茲力分布，進(jìn)而計(jì)算電磁力加速特性。針對(duì)其特點(diǎn)從歐姆定律和感生磁場(chǎng)出發(fā)構(gòu)建了一個(gè)磁場(chǎng)計(jì)算模型，這個(gè)模型搭起了一個(gè)從流場(chǎng)參數(shù)直接到電流電磁力的橋梁。

2.1.3 核心組件設(shè)計(jì)

對(duì)于超高溫等離子發(fā)生裝置，最核心的組件是陽極和陰極，基于總體設(shè)計(jì)和性能分析，需要對(duì)核心組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)陽極和陰極進(jìn)行選材、選型、形狀參數(shù)的確定。

（1）陽極設(shè)計(jì)

超高溫等離子體裝置大部分功率損失在陽極，因此陽極所承受的熱流較大，因此為保證等離子體裝置的正常工作，需重點(diǎn)對(duì)陽極進(jìn)行冷卻。陽極的結(jié)構(gòu)形式和尺寸直接決定了放電腔的形狀和尺寸，因此陽極設(shè)計(jì)對(duì)其性能具有至關(guān)重要的作用。

陽極材料選擇：目前國際主流的裝置主要使用的陽極材料有鉬和銅。因鉬具有較高的熔點(diǎn)，因此其成為采用輻射冷卻的主要材料，但其機(jī)械加工性差，且采用冷卻結(jié)構(gòu)的裝置對(duì)陽極材料的耐溫要求降低，因而更多的選擇導(dǎo)熱性更好的銅作為陽極材料。因此，選擇紫銅作為陽極材料。

陽極結(jié)構(gòu)的選型：常用的陽極結(jié)構(gòu)形式有直筒型、收斂型以及收斂擴(kuò)張型。國外學(xué)者對(duì)于陽極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入而廣泛的研究。研究表明，擴(kuò)張型陽極性能優(yōu)于其他兩種。

陽極尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)：陽極裝置的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括陽極的半徑設(shè)計(jì)、陽極長度的設(shè)計(jì)和陽極擴(kuò)張角度的設(shè)計(jì)。陽極長度增加，會(huì)加大陽極功率沉降，降低裝置效率。當(dāng)改變擴(kuò)張型陽極擴(kuò)張角度時(shí)，裝置電壓、效率沒有很大不同。這是因?yàn)閷?shí)際的電流通路可能沒有擴(kuò)散到下游，即使擴(kuò)張角很大，但實(shí)際的陽極半徑與陰極半徑之比并沒有改變。

（2）陰極設(shè)計(jì)

超高溫等離子體裝置的陰極是其所有部件中工作環(huán)境最惡劣的，因?yàn)殛帢O處于放電區(qū)中心，要直接承受離子的轟擊、強(qiáng)烈的熱輻射以及放電電流帶來的焦耳熱。同時(shí)陰極尺寸相比陽極更短，所以在傳熱方面處于更加不利的地位。因此目前等離子體裝置的壽命主要受制于陰極的壽命?？梢哉f陰極的設(shè)計(jì)對(duì)裝置的性能、壽命有著決定性的影響。

陰極材料選擇：陰極材料對(duì)于陰極性能的影響巨大。選擇主要有以下三方面的考慮：電子發(fā)射能力，工作溫度，耐燒蝕性。陰極發(fā)射體使用的是電子發(fā)射能力較強(qiáng)的金屬或合金材料；從工作溫度和逸出功方面考慮，鈮、鉭的工作溫度和逸出功較低，有利于點(diǎn)火和降低工作溫度，但實(shí)際上工作時(shí)電流密度很高，很可能會(huì)造成過高的溫度，若選用鈮和鉭，很可能導(dǎo)致陰極燒蝕速度加快。鎢具有最高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，蒸發(fā)速率最小、融化潛熱高等特點(diǎn)，但由于鎢對(duì)于氧氣較為敏感，一般選取氬氣、氦氣、氮?dú)狻錃?，尤其是在高溫下鎢不與氮?dú)庑纬煞€(wěn)定的氮化物。此外，通過浸漬、摻混或鍍膜等工藝增加合適的稀土氧化物提高電子發(fā)射能力，有利于降低陰極的燒蝕速率。因此，陰極材料的選定及工程化應(yīng)用擬優(yōu)選鎢基陰極，通過減小鎢的晶粒大小降低電極材料消耗的速率，摻混合適比例的稀土氧化物提升電子發(fā)射能力。

陰極結(jié)構(gòu)選型：陰極結(jié)構(gòu)對(duì)于電磁裝置的整體性能以及陰極的性能、穩(wěn)定性與壽命也有很大的影響。常用的陰極結(jié)構(gòu)有：實(shí)心陰極、單通道空心陰極、多通道空心陰極。首先對(duì)實(shí)心陰極與空心陰極的對(duì)比，如表1所示：相同外徑下，空心陰極擁有更大的電極面積，因而裝置工作時(shí)陰極溫度較低，減少腐蝕。另外，推進(jìn)劑從空心陰極內(nèi)部通入，一方面推進(jìn)劑電離過程大部分發(fā)生在陰極內(nèi)部，從而大大提高了推進(jìn)劑的電離率；另一方面陰極材料發(fā)射電子數(shù)減少，降低了腐蝕率。多通道空心陰極與單通道空心陰極進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：多通道空心陰極的相對(duì)發(fā)射面積更大，因而腐蝕率更低，要達(dá)到同樣的發(fā)射面積，單通道陰極的內(nèi)徑過大，不適用長壽命的要求。由于多通道空心陰極的相對(duì)發(fā)射面積更大，使得其在小流量的工況下，更容易點(diǎn)火且工作更穩(wěn)定。理論上講多通道空心陰極的電離率更高；此外，試驗(yàn)表明，多通道空心陰極的羽流更集中，且其工作過程中的電流和電壓波動(dòng)更小，工作更穩(wěn)定。

表1 陰極結(jié)構(gòu)對(duì)比結(jié)果

陰極外徑：由前面裝置整體方案所述，陰極外徑是第一個(gè)需要確定的尺寸，其直接決定裝置的整體尺寸，基于相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，陰極直徑為22mm。

陰極內(nèi)孔：陰極尺寸的設(shè)計(jì)主要是考慮能否滿足放電電流的要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，陰極放電電流工作區(qū)間為400~1000A之間，陰極工作能力至少大于1200A以上。然而，裝置長壽命能力要求發(fā)射電流最大不超過20A/cm²。

陰極載流能力核算：上述陰極的具體參數(shù)總結(jié)如表2，其中有效長度是指處在放電腔中的陰極長度，從表2中可以看出其理論極限放電電流可以達(dá)到1375A，長壽命放電電流設(shè)計(jì)值可達(dá)550A，滿足500A的設(shè)計(jì)需求值。

表2 空心陰極設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 大功率分時(shí)分級(jí)電源啟動(dòng)控制技術(shù)

根據(jù)高溫等離子體需求，分別進(jìn)行寬范圍高效率大功率變換拓?fù)洹⒏邏焊哳l脈沖電源以及分時(shí)分級(jí)啟動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

2.2.1 寬范圍高效率大功率拓?fù)?/p>

大功率電源由大功率AC/DC整流電路和寬范圍大功率直流變換處理電源組成，其中大功率AC/DC整流電路將交流電能轉(zhuǎn)換成550V左右的直流電壓，形成直流電壓母線。后級(jí)為多個(gè)寬范圍高效率大功率直流功率模塊串并聯(lián)組成的百千瓦級(jí)電源，實(shí)現(xiàn)寬范圍電壓輸出，適應(yīng)高溫等離子體需求。

（1）寬范圍電壓輸出電源技術(shù)

針對(duì)高溫等離子體對(duì)電源寬范圍輸出的需求，綜合考慮單模塊輸出電壓、電流范圍與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，寬范圍電壓輸出可采用多模塊串聯(lián)實(shí)現(xiàn)?？梢苑譃?個(gè)功率模塊和3個(gè)功率模塊來實(shí)現(xiàn)。采用2個(gè)功率模塊，單模塊輸出電壓需要設(shè)計(jì)為25V~100V可調(diào)節(jié)或者37V~100V可調(diào)節(jié)。25V~100V模塊可以實(shí)現(xiàn)50V~200V的無間斷連續(xù)可調(diào)，而37V~100V具備較小的調(diào)節(jié)范圍，有利于變換器提高效率。目前應(yīng)用需求對(duì)連續(xù)調(diào)節(jié)沒有提出需求，更關(guān)注電源的體積和效率，因此采用37V~100V輸出模塊。

采用3個(gè)功率模塊時(shí)，輸出電壓可以設(shè)計(jì)為50V輸出的兩個(gè)固定模塊，另外一個(gè)模塊設(shè)計(jì)為50V~100V可調(diào)節(jié)模塊。采用固定輸出以后，變換器的頻率或者占空比調(diào)節(jié)只需要補(bǔ)償輸入母線的變化。能讓變換器工作在最高效率的情況下，元器件的應(yīng)力也最小。同時(shí)，通過分時(shí)分級(jí)控制實(shí)現(xiàn)50V～200V寬范圍電壓輸出。

（2）高效率電源功率轉(zhuǎn)換技術(shù)

典型開關(guān)電源功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括正激、反激、推挽、半橋、全橋等。其中全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出功率最高，有著相對(duì)較高的效率，對(duì)開關(guān)器件的耐壓要求較低，能大大提高輸出功率范圍，同時(shí)有助于軟開關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，因此采用全橋作為設(shè)計(jì)功率電路部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單相全橋拓?fù)?、三相全橋拓?fù)浜碗p有源橋拓?fù)淙N。綜合考慮功率模塊體積、重量、效率、成本等需求，選擇單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單相全橋拓?fù)渲饕譃橐葡嗳珮蚺cLLC全橋兩種，前者通過移相的方式控制占空比，進(jìn)而控制輸出電壓，即脈沖寬度調(diào)制（PWM）；后者則主要通過控制頻率調(diào)節(jié)輸出電壓，即脈沖頻率調(diào)制（PFM）。二者性能上的差異如表3所示。

表3 移相全橋和LLC全橋電路性能對(duì)比

根據(jù)上述表格比對(duì)，LLC的效率高，但其輸出電壓調(diào)整范圍較為有限，所以采用基于LLC拓?fù)涞幕旌峡刂频姆绞?，在保證效率較高的同時(shí)使電路有更寬的輸出電壓范圍。圖1為單一全橋LLC的輸出電壓仿真圖，單相LLC的輸出可以穩(wěn)定在180V，輸出的紋波如圖2所示，峰峰值約為0.4V。圖3為單一全橋LLC的功率管漏級(jí)電流和開關(guān)管的Vds仿真波形，圖示LLC可以實(shí)現(xiàn)零開通和軟關(guān)斷，達(dá)到高效率功率變換的目的。

圖1 輸出電壓波形

圖2 輸出電壓紋波

圖3 功率管漏級(jí)電流和漏源電壓

（3）大功率電源架構(gòu)技術(shù)

大功率電源輸出功率可達(dá)百千瓦量級(jí)，這對(duì)功率器件選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及熱設(shè)計(jì)等方面都帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)超大功率的輸出，擬采用多模塊并聯(lián)電源架構(gòu)。

多模塊電源系統(tǒng)采用多個(gè)中小功率的電源模塊通過并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來組建積木式的大功率電源系統(tǒng)，通過改變參與工作的模塊的數(shù)目來滿足等離子體不同模式下的功率需求。每個(gè)模塊處理較小功率，承受較小的電應(yīng)力，從而可以降低對(duì)核心功率器件的要求，降低設(shè)計(jì)難度。在多模塊電源設(shè)計(jì)中除了必要的工作模塊，還可以根據(jù)可靠性要求加入適當(dāng)數(shù)目的備用模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)任意模塊發(fā)生故障時(shí)，備份模塊能夠替換故障模塊，使得整個(gè)電源系統(tǒng)不會(huì)失效。

2.2.2 高壓高頻脈沖電源技術(shù)

高壓高頻脈沖電源與大功率電源協(xié)同工作，共同連接至等離子體負(fù)載。其作用是在接收到點(diǎn)火指令后產(chǎn)生高壓脈沖，在短時(shí)間內(nèi)將工質(zhì)電離擊穿產(chǎn)生引弧，隨后轉(zhuǎn)由大功率電源為等離子體負(fù)載供電。圖4所示為點(diǎn)火電源仿真結(jié)果。圖4（a）為儲(chǔ)能電容兩端電壓，在初始階段通過升壓電路為儲(chǔ)能電容充電，電壓逐漸升高到閾值；圖4（b）為點(diǎn)火電壓，當(dāng)放電電路打開時(shí)點(diǎn)火電壓迅速升至8kV，然后開始放電過程，持續(xù)時(shí)間大約為15us。圖4（c）和圖4（d）分別為變壓器原邊和副邊的電流（即放電電流）。

圖4 高壓高頻脈沖點(diǎn)火電源仿真輸出電壓波形

電等離子體電源系統(tǒng)架構(gòu)采用串聯(lián)架構(gòu)。陽極電源在點(diǎn)火階段即參與供電，等離子體負(fù)載上的電壓為點(diǎn)火電源和陽極電源輸出電壓之和，負(fù)載回路的電流會(huì)同時(shí)流經(jīng)點(diǎn)火電源和陽極電源輸出端，不需要額外的隔離器。

2.2.3 分時(shí)分級(jí)啟動(dòng)控制技術(shù)

（1）多模塊并聯(lián)均流技術(shù)

提高大功率電源功率容量最直接的做法是將多個(gè)大功率電源模塊并聯(lián)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。這種多模塊并聯(lián)方案一方面可以降低大功率電源模塊的設(shè)計(jì)難度，另一方面可以實(shí)現(xiàn)大功率電源的分時(shí)分級(jí)啟動(dòng)，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。并聯(lián)運(yùn)行均流控制技術(shù)通過檢測(cè)模塊的輸出電流判斷其不均流程度。用該信號(hào)去改變直流輸出電流的給定或者反饋量，從而調(diào)節(jié)模塊的輸出電流，達(dá)到控制均流的目的。主從控制均流法是在若干個(gè)模塊中指定某一模塊為主模塊，其它為從模塊，各從模塊將根據(jù)主模塊的電流進(jìn)行均流調(diào)節(jié)。用外部總線控制器實(shí)現(xiàn)各模塊之間的數(shù)字通信。由于外部總線是一種多主總線，即使主模塊發(fā)生故障，仍然可在剩余的從模塊中自動(dòng)選主，重新進(jìn)行均流調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的冗余。

（2）動(dòng)態(tài)負(fù)載下的分時(shí)分級(jí)軟啟動(dòng)控制技術(shù)

大功率電源模塊的效率受負(fù)載率的影響很大，通常在接近滿載時(shí)達(dá)到最佳效率，而在輕載下效率顯著下降。因此多模塊大功率電源需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題是在等離子體負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的情況下一方面滿足負(fù)載要求，另一方面將大功率電源轉(zhuǎn)換效率維持在最佳效率區(qū)間，這就需要控制系統(tǒng)能夠配合等離子體的操作，對(duì)負(fù)載的變化做出快速響應(yīng)，根據(jù)負(fù)載要求動(dòng)態(tài)調(diào)整參與工作的模塊數(shù)目，實(shí)現(xiàn)分時(shí)分級(jí)啟動(dòng)控制。

在負(fù)載調(diào)整過程中，如果不對(duì)功率電源的啟動(dòng)輸出加以控制，會(huì)導(dǎo)致功率電源瞬時(shí)輸出幾百至上千安培電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出功率電源自身的輸出能力，并導(dǎo)致功率電源迅速進(jìn)入輸出過流保護(hù)狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致等離子體熄火等問題，因此，需要在電源分時(shí)分級(jí)啟動(dòng)過程中增加軟啟動(dòng)控制措施。對(duì)于全橋型LLC電路，通過調(diào)節(jié)相位角的方式使得等效占空比逐漸增加，來實(shí)現(xiàn)電路的啟動(dòng)過程。

圖5為軟啟動(dòng)開始時(shí)的仿真圖，從圖中可以看到PWM3為PWM1延時(shí)得到，PWM4為PWM2延時(shí)得到，且兩者延時(shí)時(shí)間一致；圖6為軟啟動(dòng)過程中間仿真圖，從圖中可以看到總移相數(shù)值為圖5（即軟啟動(dòng)開始時(shí)）的一半左右；圖7為軟啟動(dòng)即將結(jié)束時(shí)仿真圖，從圖中可以看出，PWM1和PWM3、PWM2和PWM4波形基本保持一致。

圖5 軟啟動(dòng)開始仿真圖

圖6 軟啟動(dòng)過程仿真圖

圖7 軟啟動(dòng)結(jié)束仿真圖

（3）大功率電源故障保護(hù)技術(shù)

大功率電源工作時(shí)，需要對(duì)每個(gè)模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障模塊的隔離、對(duì)輸出短路，輸入突然過壓等突發(fā)意外情況下系統(tǒng)的保護(hù)等突發(fā)故障處理能力，并根據(jù)每個(gè)模塊的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和健康狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整模塊的開啟和關(guān)閉優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊工作的智能調(diào)度，從而均衡每個(gè)模塊的帶載時(shí)間，延長系統(tǒng)總體的壽命。

2.3 真空超高溫高效率MCMB石墨化工藝制造技術(shù)

2.3.1 真空環(huán)境系統(tǒng)技術(shù)方案

真空環(huán)境系統(tǒng)是MCMB高端石墨化工藝制造技術(shù)的基礎(chǔ)，真空度直接影響制造溫度及石墨化效率。系統(tǒng)是由進(jìn)出料真空過渡艙、真空石墨化主艙、抽真空裝置、插板閥密封裝置等組成。

（1）進(jìn)出料真空過渡艙

進(jìn)料與出料真空過渡艙在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是一樣的，而真空容器是進(jìn)料與出料真空過渡艙的主體設(shè)備，它為MCMB原料進(jìn)艙及成品出艙提供一個(gè)有效的真空過渡環(huán)境，可提高M(jìn)CMB石墨化的制備效率，容器設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量將直接影響設(shè)備性能，也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。真空容器主體材料選用0Cr18Ni9不銹鋼，該材料焊接性能好，耐腐蝕、耐熱、出氣率低，還具有良好的冷變低溫韌性。為減小容器放氣量，真空容器內(nèi)表面須進(jìn)行拋光處理，粗糙度在0.8～1.6。真空容器包括：放氣接口、真空規(guī)接口、觀察窗接口、底面鋪軌接口、插板閥密封接口、真空泵接口等幾部分組成，有效內(nèi)徑Φ1500mm，直段長度3000mm，容器總高約為2100mm。容器密封采用氟橡膠密封，密封圈截面直徑φ17mm。

（2）真空石墨化主艙

真空石墨化主艙主體結(jié)構(gòu)與進(jìn)出料過渡艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上基本一致，其主體結(jié)構(gòu)同樣為一個(gè)真空容器。它為MCMB石墨化提供有效真空環(huán)境空間，容器設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量將直接影響設(shè)備性能，也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。真空容器主體材料選用0Cr18Ni9不銹鋼，該材料焊接性能好，耐腐蝕、耐熱、出氣率低，還具有良好的冷變低溫韌性。為減小容器放氣量，真空容器內(nèi)表面須進(jìn)行拋光處理，粗糙度在0.8～1.6。真空容器包括：放氣接口、真空規(guī)接口、觀察窗接口、底面鋪軌接口、插板閥密封接口、真空泵接口、磁等離子體發(fā)生裝置接口、測(cè)溫裝置接口等幾部分組成，有效內(nèi)徑Φ1500mm，直段長度3000mm，容器總高約為2100mm。容器密封采用氟橡膠密封，密封圈截面直徑φ17mm。

2.3.2 進(jìn)出料自動(dòng)化系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)MCMB石墨化的智能化、自動(dòng)化，對(duì)MCMB的原材料進(jìn)艙和成品出艙采用滾筒輸送裝置和機(jī)器人實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的自動(dòng)化。滾筒輸送裝置用于原材料進(jìn)艙自動(dòng)輸送、產(chǎn)品自動(dòng)出艙輸送以及艙內(nèi)自動(dòng)輸送；機(jī)器人用于原料和成品的自動(dòng)化抓取，同時(shí)，也避免了成品高溫對(duì)操作人員的影響。

2.3.3 真空超高溫?zé)岢料到y(tǒng)

真空超高溫?zé)岢料到y(tǒng)用于設(shè)備主艙內(nèi)溫度平衡，同時(shí)防止內(nèi)部設(shè)備因高溫而損壞。熱沉系統(tǒng)分艙內(nèi)設(shè)備和艙外設(shè)備，艙外設(shè)備是由冷水機(jī)和冷卻水供給裝置等組成，艙內(nèi)設(shè)備是由包括主管、支管、散熱壁板、支撐架和輻射屏等組成。

2.3.4 智能熱平衡系統(tǒng)

智能熱平衡系統(tǒng)的控制是一個(gè)狀態(tài)和輸入受限的多目標(biāo)優(yōu)化問題。狀態(tài)限制指的是由于結(jié)構(gòu)限制，溫度具有上限要求；控制輸入限制指的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出具有一定限制。智能熱平衡系統(tǒng)需要滿足多個(gè)目標(biāo)要求，需要在最少燃料輸入下使得羽流面積最大，并且溫度最高。同時(shí)，不同物質(zhì)在同樣的溫度下羽流的面積不同；紅外測(cè)量設(shè)備和真空規(guī)具有測(cè)量噪聲。因此，智能熱平衡系統(tǒng)是一個(gè)具有較大不確定性的復(fù)雜控制系統(tǒng)，需要采用具有強(qiáng)魯棒性的智能自適應(yīng)的控制方法。這里我們引入基于特征模型的智能自適應(yīng)控制方法，使得多個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

2.3.5耐高溫?zé)捴欺釄逖b置耐高溫?zé)捴欺釄逯饕浅惺艽诺入x子體的3000℃高溫，并用來放置MCMB原料制塊，在坩堝中進(jìn)行高溫石墨化。坩堝主要分兩層，一層是耐高溫層，承受磁等離子體3000℃超高溫防損壞；一層是保溫層，用來保持坩堝內(nèi)部溫度，防止溫度過度流失，影響石墨化效率。

2.3.6 自動(dòng)制塊裝置

根據(jù)磁等離子體發(fā)生裝置的特點(diǎn)，為提高M(jìn)CMB的石墨化效率，在進(jìn)行高溫石墨化前，需對(duì)MCMB原料進(jìn)行制塊工藝處理。自動(dòng)制塊裝置便是用于MCMB原料的自動(dòng)制塊，裝置采用壓鑄機(jī)制塊方式，MCMB制塊尺寸大小根據(jù)磁等離子體發(fā)生裝置羽流尺寸以及石墨化過程中的穿透效率進(jìn)行確定。

2.4 高效能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化智能控制研究

2.4.1 全流程可視化控制方案

MCMB超高溫等離子體石墨化處理系統(tǒng)可完全采取可視化綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行智能管理和調(diào)控，通過溫度傳感器、紅外測(cè)溫儀、紅外熱成像儀、PLC、工控機(jī)及工業(yè)組態(tài)軟件等設(shè)備采集數(shù)據(jù)分析處理學(xué)習(xí)，采用基于模型的工程方法，將工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)融合進(jìn)產(chǎn)業(yè)全生命周期中，根據(jù)不同標(biāo)的物特性、熱源匹配度、配料組合等行業(yè)內(nèi)需求結(jié)合裝置工作特點(diǎn)、實(shí)時(shí)工況，進(jìn)行智能控制，以期達(dá)到最佳制備效果。

2.4.2 生產(chǎn)效率優(yōu)化算法

（1）基于模型的工程方法

這里的模型是材料模型、環(huán)境模型、熱源模型等多種模型的組合體，從而更全面更真實(shí)地反映對(duì)象的特征。

（2）工業(yè)大數(shù)據(jù)

完整反映狀態(tài)要求數(shù)據(jù)能覆蓋對(duì)象變化過程，以及大量采集設(shè)備的過程數(shù)據(jù)，采集頻率更高、采集點(diǎn)更多，并將這些數(shù)據(jù)融合起來，使之完整反映對(duì)象的變化狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以前“測(cè)控”的數(shù)據(jù)量，已達(dá)到“大數(shù)據(jù)”量級(jí)。再將系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備互聯(lián)的數(shù)據(jù)全融合起來。

（3）人工智能技術(shù)融合進(jìn)產(chǎn)業(yè)全生命周期中

人工智能包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別；模式識(shí)別用于故障檢測(cè)。數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘，一般用作對(duì)象狀態(tài)分析。這個(gè)狀態(tài)分析就是為了提高質(zhì)量，降低故障發(fā)生。這里一般使用三種類型：基于規(guī)則，也就是咱們以前用的相關(guān)行業(yè)的專家知識(shí)、專家?guī)?，這個(gè)必須是人工事先預(yù)置好的，能夠快速、準(zhǔn)確判斷；基于認(rèn)知，這個(gè)就是用各種對(duì)數(shù)據(jù)的分析算法，分析數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，從而判斷對(duì)象的狀態(tài)變化。這里面難題在于往往不是一個(gè)信號(hào)就能反映狀態(tài)變化的，所以需要將很多信號(hào)數(shù)據(jù)融合，形成一個(gè)綜合指標(biāo)用于判斷；基于模型，這個(gè)模型就是咱們第一條里面說的模型，通過模型數(shù)據(jù)的變化，來分析物理對(duì)象的變化。

2.4.3 工藝標(biāo)準(zhǔn)化

通過智能控制、核心裝置與工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料以及等離子體處理全流程的管理，基于系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)進(jìn)出料過程的數(shù)據(jù)挖掘和最佳投入產(chǎn)出比的研究，探究高效穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)工藝標(biāo)準(zhǔn)化流程，結(jié)合產(chǎn)出的樣品進(jìn)行材料分析反饋調(diào)節(jié)裝置工藝處理的過程參數(shù)與控制程序，最終確定最佳工藝的功率、溫度以及相應(yīng)的工藝控制參數(shù)。針對(duì)上述需求，對(duì)于MCMB超高溫等離子石墨化處理的試驗(yàn)方案分四個(gè)階段進(jìn)行：

（1）基礎(chǔ)性能試驗(yàn)

在進(jìn)行樣件處理前，需進(jìn)行超高溫等離子體裝置的性能試驗(yàn)，通過在不同的氣壓保壓和流率、磁場(chǎng)以及電流條件下測(cè)定電壓值，確定背壓/流率、磁場(chǎng)、電流對(duì)裝置的影響，最終確定50kW/100kW/150kW功率級(jí)的最佳工況點(diǎn)，以及相對(duì)應(yīng)的核心區(qū)域范圍和核心溫度等指標(biāo)。

（2）MCMB石墨化處理材料實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)開始前通過進(jìn)料艙/口將MCMB樣品放置于石墨坩堝內(nèi)，并通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)，記錄位置后開始抽真空，在不同的功率和距離處進(jìn)行MCMB等時(shí)間處理。處理后，將處理的樣件送檢進(jìn)行電鏡掃描等測(cè)試，確定樣品體積變化量以及處理后的組分構(gòu)成和石墨化程度。通過多輪試驗(yàn)，確定最佳樣品大小和位置以及超高溫等離子體裝置的運(yùn)行參數(shù)和處理時(shí)間。

（3）MCMB樣品進(jìn)出料節(jié)拍聯(lián)動(dòng)測(cè)試

在驗(yàn)證有效區(qū)域和核心區(qū)域的范圍確定樣品大小和超高溫等離子體裝置工作參數(shù)后，進(jìn)行進(jìn)出料聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，控制進(jìn)料倉和出料倉以及真空倉內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的節(jié)拍，同時(shí)保持等離子體處理所在的倉內(nèi)真空度維持在50Pa范圍內(nèi)，通過全流程控制軟件實(shí)現(xiàn)固定化流程控制。

（4）MCMB石墨化處理產(chǎn)能試驗(yàn)

根據(jù)前期試驗(yàn)測(cè)算，根據(jù)不同功率的范圍大小放置相應(yīng)尺寸的固廢樣件，測(cè)算單位重量樣件完全石墨化處理所需的時(shí)間，評(píng)估不同功率下的產(chǎn)能。在進(jìn)出料節(jié)拍控制下，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料和出料過程的快速切換，實(shí)現(xiàn)核心裝置降功率而不停機(jī)的不間斷連續(xù)工作方式，測(cè)算單日產(chǎn)能與綜合能耗。

3 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用磁等離子體動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行MCMB超高溫石墨化處理試驗(yàn)表明：應(yīng)用超高溫等離子體技術(shù)進(jìn)行石墨化處理，可獲得石墨化程度較高、微觀結(jié)構(gòu)特性優(yōu)異的碳素材料，如圖8所示。其中，圖8（a）的縱坐標(biāo)峰值的高度表征石墨化的強(qiáng)度，圖8（b）和圖8（c）是7號(hào)和9號(hào)樣品的透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱TEM）的掃描結(jié)果?？梢?，7號(hào)樣品微觀層面顆粒尺寸更小、純度更高、整體性能更優(yōu)。

圖8 MCMB石墨化樣品圖譜及TEM掃描結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)分析，目標(biāo)MCMB實(shí)測(cè)外圍平均溫度3000℃以上，由于受到測(cè)試條件限制，我們只能檢測(cè)到MCMB外側(cè)的平均溫度，通過對(duì)MCMB特性分析可知，MCMB的內(nèi)部溫度比外圍平均溫度至少高400~500℃，即3400~3500℃以上。在測(cè)試前后對(duì)樣品進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，石墨化前均為絕緣材料，處理后電導(dǎo)率分別為0.8-0.9、0.7-0.6、0.5和0.4~0.5Ω，導(dǎo)電性能逐漸變好，表征石墨化程度逐漸變高。此外，樣品體積密度超過日本東洋炭素株式會(huì)“東洋ISO80”產(chǎn)品的1.91g/cm³，超過國內(nèi)任意一家超高密度石墨制備企業(yè)產(chǎn)品密度指標(biāo)。

通過分析，本文設(shè)計(jì)具有如下先進(jìn)性。北京控制工程研究所研發(fā)的磁等離子發(fā)動(dòng)機(jī)，在20kW情況下即可實(shí)現(xiàn)1分鐘內(nèi)超過3000℃的超高溫。石墨化就是高溫制備過程，現(xiàn)有其他石墨化爐全部采用電加熱方式，最高溫度雖然標(biāo)稱可以達(dá)到2800℃，實(shí)際工作時(shí)普遍不能超過2400℃，而且需要長時(shí)間（1~7天）預(yù)熱才能達(dá)到，但很難維持。導(dǎo)致制備時(shí)間長、石墨爐內(nèi)溫度不均勻、制備品品質(zhì)不均。北京控制工程研究所研發(fā)的等離子體發(fā)生裝置，可以將等離子加速到60~80公里/秒，通過檢測(cè)被轟擊的樣品可以看到，等離子對(duì)制備物的轟擊，會(huì)在制備物從表面到一定厚度內(nèi)形成超過3500℃的穩(wěn)定高溫區(qū)域，這個(gè)特性是其他工藝不具備的，也是其他采用等離子加熱的企業(yè)不能企及的速度。石墨化的基本要求超過2000℃，目前測(cè)控技術(shù)超過1400℃只能用非接觸式測(cè)溫技術(shù)，現(xiàn)有工藝為了獲取高溫，必須采用全密封的保溫措施，一旦閉爐開始制備，將無法獲取爐內(nèi)包括溫度在內(nèi)的任何信息，技術(shù)人員只能憑經(jīng)驗(yàn)通過控制電流控制爐溫，導(dǎo)致每一爐的品質(zhì)差距很大，即便同一石墨化爐制備產(chǎn)品品質(zhì)也參差不一。而超高溫等離子體技術(shù)基于真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)、機(jī)械臂、智能溫控等測(cè)控設(shè)備得以應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)智能控制提供了可能，從而使制備物的品質(zhì)得以保證，制備時(shí)間大幅度減少，同時(shí)極大地降低了坩堝等耗材用量。

4 結(jié)論

針對(duì)采用磁等離子體動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行MCMB高溫石墨化處理問題，設(shè)計(jì)了基于強(qiáng)磁高密度超高溫等離子體電磁場(chǎng)耦合加速及調(diào)控、大功率分時(shí)分級(jí)電源啟動(dòng)控制、真空超高溫高效率中間相炭微球石墨化工藝制造以及高效能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化方法。試驗(yàn)表明：應(yīng)用超高溫等離子體技術(shù)進(jìn)行石墨化處理，可獲得石墨化程度較高、微觀結(jié)構(gòu)特性優(yōu)異的碳素材料。實(shí)現(xiàn)了中間相炭微球石墨化過程所需的超高溫度、高效率和工業(yè)智能化控制，形成了超高溫等離子炭材料處理智能裝備，制備出具備超高密度、超高純度的材料，對(duì)提升我國新材料工藝制造裝備的整體技術(shù)水平有著重大實(shí)際意義。

作者簡介：

吳慶越 （1969-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，學(xué)士，工程師，現(xiàn)就職于北京軒宇空間科技有限公司，從事等離子發(fā)動(dòng)機(jī)研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年9月刊