在未来的电磁发射兵器中 ,电源装置在重量和体积上占有整个装置的最大份额。而在电源装置中 ,储能元件的重量和体积约占电源装置的 80 %.脉冲电容器是电源储能元件的首选。从兵器的机动性要求出发 ,脉冲电容器应该具有高的储能密度 ,以减轻重量和缩小体积。但是 ,高储能密度和长寿命是互相对立的。在满足寿命要求的前提下 ,最大限度地提高储能密度 ,是电容器研究的目标。而寿命的确定 ,也间接地确定了现今技术所能达到的储能密度极限。作者根据国内外实际达到的最新技术水平 ,选择了脉冲电容器类型和寿命指标。
1 减小电容器体积的主要方法
电容器的能量储存在两金属电极之间的绝缘材料中 ,绝缘材料的体积储能密度 W 为
式中 ,ε为绝缘材料的介电常数; E为绝缘材料的工作场强。
考虑到金属电极本身的厚度及绝缘材料的留边、 引线、 外壳等 ,电容器的总体积 V t 大于电极间所夹绝缘材料的体积 V i ,设 V t/ V i = K ,则按体积计算的储能密度 DN 为
由上式可见 ,提高电容器的储能密度(即减小电容器的体积)有三条途径:
(1) 降低 K 值 电容器技术发展到今天 ,在绝缘材料的留边、 引线、 外壳等方面已到了相当完善的水平 ,潜力很小。采用蒸镀技术 ,金属电极所占体积已经很小。因此 ,降低 K值方面的潜力不大。
(2) 提高ε值 提高ε值意味着采用高介电常数的膜。高介电常数的材料都是由极性分子构成的 ,这种材料一般电导率较大 ,击穿场强较低。为提高储能密度单靠采用高ε的材料往往达不到目的。例如 ,聚偏氟乙烯的ε γ = 9～13 ,其击穿场强 Eb =100V/μm ,而聚丙烯膜的ε γ = 2. 1～2. 2 ,击穿场强Eb = 650V/μm.按照(1. 1)式 ,用聚丙烯膜制作的电容器的储能密度仍高于用聚偏氟乙烯制作的电容器。
(3) 提高工作场强 E 这是最重要的一条途径。前提是必须解决高场强下的电弱点问题 ,才能使电容器介质工作在较高的场强条件下。由于膜中电弱点的存在使箔式结构的全膜脉冲电容器的寿命不易预测。
金属化膜电容器由于具有自愈能力 ,消除了介质中少数电弱点击穿造成整个电容器损坏的问题 ,使电容器中介质的工作场强明显提高 ,从而提高了电容器的储能密度。由于金属化膜电容器的引出电极采用喷金的形式 ,故这种电容器的输出电流能力小于箔式结构电容器。在电磁发射兵器中 ,由于脉冲电源放电时间达到 1ms以上 ,电流远较电容器短路放电时小 ,故这种电容器能满足要求。
2 高分子绝缘材料承受场强和寿命关系的分析
由于高分子材料结构复杂, 用经典的晶体击穿理论不能解释其击穿过程。近十余年来发展起来的陷阱理论 , 较好地解释了聚合物的击穿过程。聚合物击穿的陷阱理论认为[1 ]: 聚合物能带结构的特点是陷阱密度大 , 电子迁移率低和平均自由行程小。在强电场作用下 , 电极中的电荷通过 Fowler2Nordheim效应或 Schot tky 效应注入聚合物中; 注入电荷在导带中几次散热后 , 很快掉入陷阱 , 电子在入陷过程中由高能量态转移到低能量态 , 多余的能量以非辐射形式转移给另一个电子 , 使其成为热电子 , 热电子打断聚合物的化学键 , 使大分子断裂成自由基和低分子 , 生成低密度区 , 该区的出现为电数枝的生长及击穿提供了通道。
根据陷阱产生的动力学 ,假定陷阱密度达到一临界值 ,介质发生击穿 ,推导出聚合物电老化寿命的指数公式为[2 ]
KEnt = 常数 (2. 1)
式中 , K 为常数; n 为电场强度指数 (不同电场强度范围内有不同的值) ; E 为工作场强; t 为寿命。
聚合物电老化寿命的指数公式的实用性已得到不少人的试验证明。 在不同的寿命试验方法下 , 电老化寿命可以写成不同的实验公式。 如 Laghari 等人用阶跃升压方式对聚丙烯、聚酯和聚偏氟乙烯膜进行的电老化寿命试验结果表明 ,电老化寿命可按下式估计[3 ]
式中 , t k为电压 V k下的寿命; t i为未击穿的每级电压加压时间; V k 为击穿的每级施加电压; t b 为击穿级的耐压时间; V b 为击穿级施加电压。理论和实验都已证明 , 有机膜材料的电老化寿命随场强的增加而按指数规律下降。 工作场强较高时 ,充放电的次数(寿命) 低于绝缘裕度高的产品。
作者对大量同一种规格的电容器进行了不同电压的充放电试验 ,充放电频率为每分钟 4 次。图211 所示为充电电压与该电压下元件平均寿命的关系曲线。由图可见 ,当电压下降时 ,电容元件的寿命呈指数增长。
3 国内外电容器产品的储能密度和寿命
根据国外某实验室 2001 年度产品目录,分析了代表国际制造水平的部分电容器产品的储能密度。结果表明 ,美国已形成商品的脉冲电容器的储能密度水平在 0135kJ / kg (约 015kJ / dm3)左右。从这些电容器中绝缘材料(主要是绝缘膜)的工作场强看 ,其数值与它们的击穿场强相比是比较高的 ,即绝缘裕度取得比较低 ,因此充放电的次数(寿命)低于绝缘裕度高的产品(3 000 次左右) 。从国外的报道看 ,目前电磁发射武器试验装置中所用电容器的最大储能密度约在 016～017kJ / kg(约 1kJ / dm3)左右。就实验室水平而言 ,达到约1. 5kJ / dm3.要想在此基础上继续有所突破 ,取决于新绝缘材料的应用[4 ]。
目前我国脉冲电容器的最高储能密度为0165kJ / kg (采用聚丙烯膜作为绝缘介质) ,体积储能密度为0. 7kJ / dm3,寿命达 2 000 次以上 ,并有望接近1kJ / kg的水平。
电容器中储能元素是绝缘介质 ,因此 ,研究新材料及在电容器中的应用是各国研究的重点内容。目前美国已进行了两种电容器的原型试验 ,一种是单个能量为50kJ ,储能密度为1. 4kJ / dm3;一种是单个能量为 1kJ ,储能密度为2. 7kJ / dm3.这两种电容器采用了强极性材料聚偏氟乙烯作为绝缘介质 ,试验结果尚未公布。从材料特性分析来看 ,这种电容器的温度特性极差 ,放电不彻底(仅能释放约 70 %的能量) ,且强极性导致对卷绕的环境清洁度要求特殊。近年来 ,以金刚石膜制作的电容器达到了12kJ / dm3的储能密度 ,但由于价格昂贵 ,无法形成批量生产。
综合各种电容器用绝缘薄膜的特性 ,聚丙烯膜具有击穿场强高、 性能稳定、 放电彻底(100 %)等优点 ,目前世界上普遍采用以聚丙烯膜为基膜的绝缘材料来制作高储能密度电容器。
4 电磁发射兵器用电容器的选择
理论和实验均证明了电容器寿命随储能密度的增加而迅速减少的规律性,且到 20 世纪 90 年代末国外聚丙烯高储能密度电容器的寿命水平为 103次数量级 ,储能密度水平为 1kJ / dm3左右。从电容器制造水平、 原料来源和成本考虑 ,电磁发射兵器宜采用以聚丙烯膜作为绝缘材料的金属化膜电容器作为储能元件。
由于脉冲电容器使用条件的特殊性 ,这种电容器应具有防爆功能 ,故应采用干式绝缘结构。干式金属化膜电容器在长期存放条件下(一年以上)会出现由于金属化膜的电化学反应导致的电容量的下降 ,使用时应注意此问题。
电磁发射兵器的性能 ,应综合考虑其机动性和耐用性两个方面 ,而从现代战争的实战需要出发 ,对机动性的要求往往更为重要。因而 ,对作为其电源储能元件的电容器的性能要求 ,应在最低容许寿命下尽量增大储能密度。最低容许寿命的确定 ,一是根据实战需要 ,二是要与其它重要部件配合。电磁发射兵器用高储能密度电容器的寿命应与炮管或轨道的寿命相配合。按其它部件的工作寿命考虑 ,电容器的寿命达到 1 ×103～2 ×103次基本能满足要求。这样 ,按照目前的电容器制作水平 ,储能密度达到1. 5 kJ / dm3,体积为 2m3左右的电容器(储能约3MJ )即可满足要求。按我国电容器的发展趋势 ,在五年之内 ,应能达到此指标。对实验室研究用途而言 ,则宜选择储能密度在0. 5 kJ / dm3左右 ,寿命在10 000次以上的油浸式电容器。
参考文献
1 Kao K C. New theory of elect rical discharge and brea
