提高脈沖電容器儲能密度的新方法的研究.pdf

1、脈沖功率技術(shù)的發(fā)展需要能源系統(tǒng)小型化、輕量化。儲能元件作為能源系統(tǒng)中占據(jù)最大比例重量與體積的部件，其儲能密度的提高意義重大。在各類儲能元件中，現(xiàn)階段電容器因其較為成熟的技術(shù)而得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，脈沖儲能電容器需有中壓產(chǎn)品和高壓產(chǎn)品。由于高擊穿場強(qiáng)的有機(jī)膜難以做到3mm以下，因此不能用于中壓等級的高能密電容器。中壓產(chǎn)品采用具有高介電常數(shù)與低擊穿場強(qiáng)的陶瓷介質(zhì)更為合適，而高壓等級則用高擊穿場強(qiáng)和低介電常數(shù)的金屬化薄膜。本文針

2、對提高這兩類電容器的儲能密度進(jìn)行了一些創(chuàng)新性探索。本文從理論分析與試驗研究兩方面對陶瓷電容器進(jìn)行了研究，結(jié)果表明只有采用X7R類的鐵電陶瓷制作的多層陶瓷電容器（MLC）才可滿足數(shù)百J/L的儲能密度的要求。在改進(jìn)配方、優(yōu)化結(jié)構(gòu)與工藝后，研制出的電容器可達(dá)到下列指標(biāo)：電壓等級500V－1000V，單片容量1mF－10mF，儲能密度數(shù)百J/L，反峰70﹪－80﹪，重復(fù)頻率1kHz，壽命107次。對陶瓷電容器的特性研究表明：這類電容器具有長壽命

3、、高反峰的重大優(yōu)點，但也存在鐵電陶瓷的非線性帶來的放電波形畸變、放電電流小、發(fā)熱量大等缺點，需在今后的研究中加以改進(jìn)。本文還對高儲能密度陶瓷電容器的可靠性進(jìn)行了研究，采用了有損的加速壽命試驗和無損的超聲波探傷試驗兩種方法。加速壽命試驗以電壓為加速因子，檢測在各檔電壓下的壽命，結(jié)果表明：放電電壓與壽命間滿足確定的指數(shù)規(guī)律。超聲波掃描試驗結(jié)果證明：超聲掃描無任何缺陷的樣品，必然可以通過額定條件下的壽命試驗，而超聲波顯示有明顯缺陷的產(chǎn)品，必然

4、不能通過電氣測試，且在電氣實驗中失效樣品的破損部位與掃描照片的缺陷部位相對應(yīng)。以上研究表明：加速壽命方法適用于MLC型式試驗，而超聲波掃描適用于產(chǎn)品合格篩選。這些對高能密陶瓷電容器產(chǎn)品的檢驗提供了依據(jù)。對于高壓下常用的金屬化膜電容器，提高其儲能密度的方式有三種：新型介質(zhì)材料、新型電極結(jié)構(gòu)和新型加工工藝。前兩種方法國內(nèi)外已開展了較多的研究工作。第三種方法目前的研究還較少，處于起步階段。本文采用低溫非平衡態(tài)等離子體對高分子薄膜進(jìn)行表面處理的

5、新型加工工藝，探索其對膜擊穿場強(qiáng)的改進(jìn)效果和影響因素。為此，我們建立了低氣壓直流輝光放電產(chǎn)生等離子體的試驗裝置，采用了O2、N2和Ar對pp薄膜進(jìn)行不同強(qiáng)度的表面處理，隨后分析薄膜擊穿場強(qiáng)、表面成分與表面形貌的改變。試驗結(jié)果顯示，薄膜的處理效果受氣體種類影響較大，O2處理后的擊穿電壓下降最多。處理強(qiáng)度是另一個影響因素。擊穿場強(qiáng)隨處理強(qiáng)度有所改變，存在一個最佳處理點。紅外光譜分析顯示了在適當(dāng)?shù)奶幚項l件下，薄膜表面會引入少量的-COOH、-

6、OH等極性基團(tuán)。但電子能譜分析顯示薄膜的C、N、O成分比例變化非常微小。這些說明了處理所引入的基團(tuán)數(shù)量很小，而且不會影響到薄膜內(nèi)部性能。掃描電鏡的照片顯示了薄膜表面刻蝕情況非常嚴(yán)重，非晶相被移除，晶相暴露在外。整個刻蝕面非常均勻。這種現(xiàn)象說明了等離子體處理對薄膜有明顯的粗化效果，這種粗化可使電容器的浸漬過程更加充分，從而提高電容器擊穿場強(qiáng)。為進(jìn)一步深入研究試驗現(xiàn)象，本文從高聚物分子基團(tuán)和電介質(zhì)微觀物理結(jié)構(gòu)這兩個層面對膜處理的機(jī)理進(jìn)行分析