提高脉冲电容器储能密度的新方法的研究

摘要

脉冲功率技术的发展需要能源系统小型化、轻量化。储能元件作为能源系统中占据最大比例重量与体积的部件，其储能密度的提高意义重大。在各类储能元件中，现阶段电容器因其较为成熟的技术而得到广泛的应用。根据不同的应用要求，脉冲储能电容器需有中压产品和高压产品。由于高击穿场强的有机膜难以做到3mm以下，因此不能用于中压等级的高能密电容器。中压产品采用具有高介电常数与低击穿场强的陶瓷介质更为合适，而高压等级则用高击穿场强和低介电常数的金属化薄膜。本文针对提高这两类电容器的储能密度进行了一些创新性探索。本文从理论分析与试验研究两方面对陶瓷电容器进行了研究，结果表明只有采用X7R类的铁电陶瓷制作的多层陶瓷电容器（MLC）才可满足数百J/L的储能密度的要求。在改进配方、优化结构与工艺后，研制出的电容器可达到下列指标：电压等级500V－1000V，单片容量1mF－10mF，储能密度数百J/L，反峰70﹪－80﹪，重复频率1kHz，寿命107次。对陶瓷电容器的特性研究表明：这类电容器具有长寿命、高反峰的重大优点，但也存在铁电陶瓷的非线性带来的放电波形畸变、放电电流小、发热量大等缺点，需在今后的研究中加以改进。本文还对高储能密度陶瓷电容器的可靠性进行了研究，采用了有损的加速寿命试验和无损的超声波探伤试验两种方法。加速寿命试验以电压为加速因子，检测在各档电压下的寿命，结果表明：放电电压与寿命间满足确定的指数规律。超声波扫描试验结果证明：超声扫描无任何缺陷的样品，必然可以通过额定条件下的寿命试验，而超声波显示有明显缺陷的产品，必然不能通过电气测试，且在电气实验中失效样品的破损部位与扫描照片的缺陷部位相对应。以上研究表明：加速寿命方法适用于MLC型式试验，而超声波扫描适用于产品合格筛选。这些对高能密陶瓷电容器产品的检验提供了依据。对于高压下常用的金属化膜电容器，提高其储能密度的方式有三种：新型介质材料、新型电极结构和新型加工工艺。前两种方法国内外已开展了较多的研究工作。第三种方法目前的研究还较少，处于起步阶段。本文采用低温非平衡态等离子体对高分子薄膜进行表面处理的新型加工工艺，探索其对膜击穿场强的改进效果和影响因素。为此，我们建立了低气压直流辉光放电产生等离子体的试验装置，采用了O2、N2和Ar对pp薄膜进行不同强度的表面处理，随后分析薄膜击穿场强、表面成分与表面形貌的改变。试验结果显示，薄膜的处理效果受气体种类影响较大，O2处理后的击穿电压下降最多。处理强度是另一个影响因素。击穿场强随处理强度有所改变，存在一个最佳处理点。红外光谱分析显示了在适当的处理条件下，薄膜表面会引入少量的-COOH、-OH等极性基团。但电子能谱分析显示薄膜的C、N、O成分比例变化非常微小。这些说明了处理所引入的基团数量很小，而且不会影响到薄膜内部性能。扫描电镜的照片显示了薄膜表面刻蚀情况非常严重，非晶相被移除，晶相暴露在外。整个刻蚀面非常均匀。这种现象说明了等离子体处理对薄膜有明显的粗化效果，这种粗化可使电容器的浸渍过程更加充分，从而提高电容器击穿场强。为进一步深入研究试验现象，本文从高聚物分子基团和电介质微观物理结构这两个层面对膜处理的机理进行分析。等离子体处理过程，可在高分子表面生成自由基，极性基团和形成交联层。这些化学反应同时影响到薄膜表面的物理结构，从而改变薄膜体内的初始载流子，并减少薄膜内的电子传导率，最终提高击穿场强。试验结果与理论分析有部分吻合较好，但关于击穿场强的部分仍需做进一步深入研究。本文的研究为开发中压高储能密度电容器产品奠定了基础，对金属化膜电容器的进一步改进和提高其储能密度进行了有益的探索。