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高储能密度陶瓷电容器的性能
发布日期:2017-11-20   点击次数:1085
在脉冲功率设备中,作为储能元件的脉冲电容器是极为重要的部件,在整个设备中占有很大的体积。现有的大功率脉冲电源设备大多采用箔式结构电容器或金属化膜电容器,前者储能密度低,发生故障易爆炸;后者放电电流小,放电寿命短。为满足微波、激光等大功率发射装置需要储能元件具有高储能密度、大输出电流和长充放电寿命等特殊性能的要求,本文从理论上对陶瓷电容器的储能密度、频率、老化特性进行了分析,研制了陶瓷电容器试品,通过直流耐压和重复充放电试验对其性能进行了初步研究。
  1陶瓷电容器电气特性1.1影响储能密度的因素电容的形成原理可用在两块导电电极之间夹有电介质的平行板型电容结构来说明。电极间电容量C为电容器储存能量于两电极间的绝缘材料中,绝缘材料的体积储能密度为考虑到金属电极本身的厚度及绝缘材料的留边、外壳、引线等,电容器的总体积Vt将大于电极间所夹绝缘介质的有效体积Vi,设定Vt/Vi=K(K> 1),则按电容器整体体积计算的储能密度为由(4)式可知,要实现高的储能密度,绝缘介质必须具有很大的介电常数、尽量小的K值,或者能承受很高的工作场强。电容器技术发展至今,在绝缘材料的留边、引线、外壳等方面的技术己经相当完善,想降低K值的潜力不大,因而获得高介电常数和高工作场强的绝缘介质是提高电容器储能密度的主要研究方向。
  1.1.1陶瓷介质的介电常数陶瓷电容器的绝缘介质选用钛酸钡(Ban3)基瓷料,这类铁电体是极性材料,晶格中高价的t,被周围的2-包围,在钛氧离子之间存在相互作用。当Ti4+在外电场作用下发生位移时便会引起2-的电子层发生强烈的变形,02-的电子位移极化反过来又加强了T,上的电场,使得Ti4+发生更大的位移。在离子位移极化和电子位移极化的相互作用下,晶体处于高度的极化状态,表现出很高的介电常数。根据陶瓷介质材料的介电温度特性可知,材料处于居里点时(如BaTi3陶瓷为120*C)其相对介电常数达到最大值。
  *:2⑴40-04;修订日期:2⑴40614基金项目:国家863计划项目资助课题◎:朱钱男硕士生▲稼压技术术的的作骑出挪您通翌或mreserved.另外,当温度降到居里点以下时,随着温度继续下降,BaTi3晶体由立方晶系变为四方晶系,Ti4会偏离中心位置,产生极性,发生自发极化。自发极化会随外电场的方向而改变。在电场作用下,铁电体的极化强度P随场强E的变化轨迹为电滞回线。描述电滞回线的主要参数是外加电场为零时的自发极化强度Ps和使自发极化反相所需的矫顽电场强度Ec.BaTi3晶体的Ps为2.6x10-9C/m2,Ec为0.65V/Um,可知BaTi3的Ec不大,因而较低的场强就能使晶体的自发极化反转。这也是BaTi3具有很高介电常数的原因之一。
  在BaTi3中掺杂移峰剂,可以使居里点移至常温,一般BaTi3基陶瓷在常温下的相对介电常数能达103~ 104量级。
  1.1.2陶瓷介质的工作场强陶瓷的瓷相主要由晶相、玻璃相和气相组成,此外还存在一定量的气孔和杂质。瓷料的性质主要由晶相性质决定,而Ban3晶格离子之间、离子电子之间极化作用很强,因此Ban3陶瓷晶相必然具有较高的抗电强度。玻璃相来源于瓷料中各组份达到一定温度后形成的低共熔物和在电子陶瓷烧结工艺中的添加剂以及混入瓷料中的杂质。由于在玻璃相中存在大量的松弛结构,过大的晶界能影响到陶瓷的介电性能,使介质容易击穿。气相是烧结过程中难以避免的产物,为了提高陶瓷的抗电击穿能力,气孔要尽可能小、尽可能少。由于陶瓷介质整体的抗电强度与其制作工艺密切相关,采用先进工艺制作的Ban3基陶瓷介质在直流和工频交流电场下的击穿场强能达到20V/Um以上。
  结合陶瓷介质的高介电常数和高工作场强两个方面可知:陶瓷电容器能够实现高储能密度。
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