聚合物薄膜電介質中空間電荷的瞬態行為研究

《聚合物薄膜電介質中空間電荷的瞬態行為研究》是依託同濟大學，由鄭飛虎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：聚合物薄膜電介質中空間電荷的瞬態行為研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄭飛虎
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

聚合物電介質薄膜由於具有高擊穿場強，低損耗，密度小等優點，可用作高儲能密度靜電儲能電容器的介質材料，以滿足現代電子，電力系統對設備小型化，輕量化的要求，而高儲能密度往往需要使聚合物薄膜工作於較高的工作電場。工作於較高電場下的介質薄膜中容易積累空間電荷，除造成介質內的電場畸變外，部分積累的空間電荷在電容器放電過程也集中快速釋放，空間電荷集中逃逸過程伴隨的能量釋放可能導致介質薄膜的微觀損傷甚至擊穿。但是現有的常用方法如壓力波法，電聲脈衝法，熱脈衝法等無法用於檢測小於毫秒級時間內空間電荷動態變化的過程。本項目擬以電容器用聚合物薄膜如聚丙烯，聚酯等為研究對象，利用測量瞬態放電電流的方法研究聚合物薄膜中空間電荷瞬時釋放的物理過程，並結合熱脈衝法研究薄膜中空間電荷的積累分布和空間電荷瞬態釋放前後的變化規律，從而掌握空間電荷的瞬時釋放導致薄膜擊穿場強降低和空間電荷擊穿的相關參數和機制。

結題摘要

本項目利用介質薄膜的瞬態放電電流的動態特徵，結合熱脈衝法研究薄膜中空間電荷的積累分布的靜態特徵，檢測分析小於毫秒級時間內空間電荷瞬態行為規律，掌握薄膜中空間電荷的瞬態行為規律與薄膜介電性能的影響。本項目主要就以下方面展開研究工作：（1）薄膜介質在直流高電場下電荷的注入與積累行為。雙面鋁金屬化的聚丙烯和聚醯亞胺薄膜在室溫下的注入閾值電場分別約為100kV/mm和50kV/mm，呈現為非對稱的雙極性空間電荷注入，溫度越高或電場強度越高，非對稱性越明顯，最終都表現為負電荷的積累。聚醯亞胺薄膜相對聚丙烯薄膜在相同的實驗條件下更容易積累電荷，在100kV/mm電場下，積累電荷造成的電場畸變可達原外施電場的1.5倍。較厚薄膜更容易積累電荷，短路後積累負電荷的平均電荷重心向薄膜樣品的近表面移動。（2）薄膜介質的瞬態電流特性研究。欠阻尼情況下，極化薄膜的振盪衰減電流呈現非線性特徵，振盪準周期隨周期數逐漸減小，極化電場越高起始周期時間長度越大，周期時間長度衰減速度在高電場強度明顯較快。振盪周期呈現非線性特徵的起始電場與空間電荷注入閾值電場一致；基於等效電容量獲得的電荷積累密度與熱脈衝法的結果一致；基於振盪周期變化特性推算的遷移率為10-8m2•V-1•s-1，大大於文獻典型值，是一種電荷陷阱完全被填滿後並在短路狀態下的電荷行為特徵；空間電荷限制電流法在外施高電場下的陷阱能級約為10-17m2•V-1•s-1，與文獻經典值一致。以上數據體現，瞬態放電電流法可作為一種簡單易行的辦法，檢驗薄膜介質的電荷行為特徵。由於淺陷阱電荷的主導作用，多次反覆充放電情況下的電流行為特徵沒有明顯變化。（3）極化薄膜介質的電荷陷阱能級信息，半定量分析薄膜陷阱能級信息。利用瞬態放電電流特徵，發現結晶度稍低的聚丙烯薄膜周期時間長度減小更快，具有更多的淺電荷陷阱；高場下的電導特性表明電荷陷阱的填充規律，高溫度下電荷陷阱更容易被填滿，空間電荷移動受陷阱影響小，與瞬態放電電流衰減快一致；利用等效電容量的變化推算淺陷阱與深陷阱電荷比例，獲取半定量陷阱能級信息。