力合光电薄膜科技有限公司,容器大小 -凯发k8娱乐

雷递网 雷建平 1月12日

常州百佳年代薄膜科技股份有限公司(简称:“百佳年代”)日前预披露招股书,准备在上交所上市。

百佳年代计划募资15.97亿元,其中,8.54亿元用于年产2.6亿平方米光伏胶膜项目,2.8亿元用于年产8800万平方米光伏胶膜项目,6129.2万元用于研发中心改造项目,4亿元用于补充流动资金。

半年营收近20亿

百佳年代是一家从事功能性薄膜研发、生产和销售的企业,主要产品包括光伏胶膜、bopet薄膜、pvc薄膜、pc薄膜、胶粘剂及涂层材料等,产品应用于光伏组件、消费电子和家居装饰等行业。

在塑料粒子改性方面,公司掌握eva、poe、pet、pvc和pc等多种塑料粒子的配方改性;在薄膜加工工艺方面,公司拥有流延、压延、挤出、双向拉伸、复合、精密涂布、印刷和压花等塑料薄膜加工工艺生产线;在胶粘剂和涂层材料方面,公司可根据下游客户的特定需求进行定制化分子结构设计及合成。

依托完善的技术平台,公司能够根据客户差异化需求提供定制化产品。

招股书显示,百佳年代2019年、2020年、2021年营收分别为10.26亿元、13.47亿元、25.42亿元;净利分别为4271.4万元、1.22亿元、1.31亿元;扣非后净利分别为4256.7万元、1.18亿元、1.28亿元。

百佳年代2022年上半年营收为19.87亿元,净利为1.91亿元,扣非后净利为1.87亿元。

茹伯兴家族为实控人 中石化资本是股东

百佳年代的实际控制人为茹伯兴、茹正伟、殷凤娣与杜桂珍,其通过直接和间接持股的方式合计控制百佳年代74.5132%的股份。

茹伯兴与茹正伟系父子关系、茹伯兴与殷凤娣系夫妻关系、茹正伟与杜桂珍系夫妻关系。

杜桂珍、殷凤娣分别直接持有百佳年代2.4103%、2.4103%的股份;茹伯兴与茹正伟通过百兴集团控制百佳年代55.7664%的股份;杜桂珍与殷凤娣共同通过百兴景华、百兴景祥分别控制百佳年代4.8206%、4.8206%的股份;杜桂珍通过汇文亚通、航起日尚分别控制百佳年代2.6781%、1.6069%股份。

茹伯兴、茹正伟、殷凤娣与杜桂珍合计控制百佳年代74.5132%的股份,为百佳年代的实际控制人。

ipo前,中石化资本(ss) 持股为3.96%,万卓投资持股为2.68%,三峡资本(ss)持股为2.67%,中电投持股为1.74%,佳鹰创投持股为1.55%,九派投资、五矿元鼎分别持股为1.34%,东方电气、润峡招赢分别持股为1.07%;

伊敦传媒、江峡绿色分别持股为0.8%,三亚景泰持股为0.59%,卓启明盛持股为0.54%,湖北长兴、金信合益、王瑾、yao xusheng(姚旭升)、张雨柏分别持股为0.53%。

ipo后,百兴集团持股为41.82%,百兴景华、百兴景祥分别持股为3.62%,中石化资本(ss)持股为2.97%,茹华英、汇文亚通、万卓投资、三峡资本(ss) 分别持股为2.01%,殷凤娣、杜桂珍分别持股为1.81%;

中电投持股为1.3%,航起日尚持股为1.21%,佳鹰创投持股为1.16%,九派投资、五矿元鼎分别持股为1%,东方电气、润峡招赢分别持股为0.8%,伊敦传媒、江峡绿色分别持股为0.6%,三亚景泰持股为0.44%;

卓启明盛、湖北长兴、金信合益、王瑾、yao xusheng(姚旭升)、张雨柏分别持股为0.4%。

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石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。

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石墨烯

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目录

简介

石墨烯的结构

石墨烯与其他碳元素的区别

石墨烯特性

电子运输 导电性 机械特性 电子的相互作用 化学性质

制备方法

微机械分离法 取向附生法—晶膜生长 加热 sic法 化学还原法 化学解理法

应用前景

在纳电子器件方面的应用 代替硅生产超级计算机 光子传感器 基因电子测序 减少噪音 其它应用

获诺贝尔奖

部分石墨烯研究成果

ibm展示最小最快石墨烯晶体管 2011年成果

展开

简介

石墨烯的结构

石墨烯与其他碳元素的区别

石墨烯特性

电子运输 导电性 机械特性 电子的相互作用 化学性质

制备方法

微机械分离法 取向附生法—晶膜生长 加热 sic法 化学还原法 化学解理法

应用前景

在纳电子器件方面的应用 代替硅生产超级计算机 光子传感器 基因电子测序 减少噪音 其它应用

获诺贝尔奖

部分石墨烯研究成果

ibm展示最小最快石墨烯晶体管 2011年成果

展开

编辑本段简介   石墨烯(graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料[1]。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在[1],直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖[2]。

  石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料[3] ,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光"[4];导热系数高达5300 w/m·k,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率*超过15000 cm2/v·s,又比纳米碳管或硅晶体*高,而电阻率只约10-6 ω·cm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料[1]。因为它的电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

  石墨烯另一个特性,是能够在常温下观察到量子霍尔效应。

  石墨烯的碳原子排列与

石墨的单原子层雷同,是

碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维

晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其

共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面

多环芳香烃原子晶体。

  石墨烯的结构非常稳定,碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的

导热性。另外,石墨烯中的

电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生

散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

  石墨烯是构成下列碳

同素异形体的基本单元:石墨,

木炭,

碳纳米管和

富勒烯。完美的石墨烯是二维的,它只包括

六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在,则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。

  石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管;另外石墨烯还被做成弹道晶体管(ballistic transistor)并且吸引了大批科学家的兴趣 。在2006年3月,

佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管,并观测到了量子干涉效应,并基于此结果,研究出以石墨烯为基材的电路.

  石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种,质料非常牢固坚硬,在室温状况,传递电子的速度比已知

导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊,必须用

量子场论才能描绘。

  石墨烯是一种

二维晶体,最大的特性是其中电子的运动速度达到了

光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

[1]

发展简史。第一:石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料,据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100 纳米),那么它将能承受大约两吨重物品的压力,而不至于断裂;第二:石墨烯是世界上导电性最好的材料,电子在其中的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄,强度超大的特性,石墨烯可被广泛应用于各领域,比如超轻防弹衣,超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性,使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机,碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂,在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面,由于其高传导性、高比表面积,可适用于作为电极材料助剂 石墨烯出现在实验室中是在2004年,当时,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,经过5年的发展,人们发现,将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。 因此,两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。

  石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜,人们发现,石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,而传统的半导体和导体,例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞,传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量,目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能,石墨烯则不同,它的电子能量不会被损耗,这使它具有了非同寻常的优良特性。

[2]

编辑本段石墨烯的结构

??

sp2杂化碳质材料的基本组成单元

  石墨烯是由碳六元环组成的两维(2d)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0d)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1d)的碳纳米管(carbon nano-tube, cnt)或者堆垛成三维(3d)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料.。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,可以看作是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。

编辑本段石墨烯与其他碳元素的区别

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单层石墨烯及其派生物

  在近20年中,碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后,三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。石墨本体并非是真正意义的二维材料,单层石墨碳原子层(graphene)才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成,而前面介绍过的碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时,石墨烯片会发生翘曲,富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。

编辑本段石墨烯特性

电子运输   在发现石墨烯以前,大多数(如果不是所有的话)物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

  石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 为量子电导的奇数倍,且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守

相对论量子力学,没有

静质量”。

导电性   石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

  石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electric charge carrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。

  石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

机械特性   石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中,他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上,这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后,他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力,以测试它们的承受能力。

  研究人员发现,在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算,这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的(厚度约100纳米)石墨烯,那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。

电子的相互作用   利用世界上最强大的人造辐射源,美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。

  科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源(als)”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上x射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现,石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈,而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

化学性质   我们至今关于石墨烯化学知道的是:类似石墨表面,石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看,石墨烯的性质类似于石墨,可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用,然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍:缺乏适用于传统化学方法的样品。这一点未得到解决,研究石墨烯化学将面临重重困难。

编辑本段制备方法   石墨烯的合成方法主要有两种:机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热sic的方法 ; 化学方法是化学还原法与化学解理法。

微机械分离法   最普通的是微机械分离法,直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。2004年novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯,并可以在外界环境下稳定存在。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦,体相石墨的表面会产生絮片状的晶体,在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片,其尺寸不易控制,无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。

取向附生法—晶膜生长   取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在 1150 ℃下渗入钌,然后冷却,冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面,镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面,最终它们可长成完整的一层石 墨烯。第一层覆盖 80 %后,第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用,而第二层后就几乎与钌完全分离,只剩下弱电耦合,得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀,且石墨烯和基质之间的黏合会影 响碳层的特性。另外peter w.sutter 等使用的基质是稀有金属钌。

加热 sic法   该法是通过加热单晶6h-sic脱除si,在单晶(0001) 面上分解出石墨烯片层。具体过程是:将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热,除去氧化物。用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后,将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1min~20min,从而形成极薄的石墨层,经过几年的探索,berger等人已经能可控地制备出单层或是多层石墨烯。其厚度由加热温度决定,制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。

  包信和等开发了一条以商品化碳化硅颗粒为原料,通过高温裂解规模制备高品质无支持(free standing)石墨烯材料的新途径。通过对原料碳化硅粒子、裂解温度、速率以及气氛的控制,可以实现对石墨烯结构和尺寸的调控。这是一种非常新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法。

化学还原法   化学还原法是将氧化石墨与水以1 mg/ml的 比例混合, 用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质,加入适量肼在100℃回流24 h ,产生黑色颗粒状沉淀,过滤、烘干即得石墨烯。sasha stankovich 等利用化学分散法制得厚度为1 nm左右的石墨烯。

[3]

化学解理法   化学解理法是将氧化石墨通过热还原的方法制备石墨烯的方法,氧化石墨层间的含氧官能团在一定温度下发生反应,迅速放出气体,使得氧化石墨层被还原的同时解理开,得到石墨烯。这是一种重要的制备石墨烯的方法,天津大学杨全红等用低温化学解理氧化石墨的方法制备了高质量的石墨烯。

编辑本段应用前景

在纳电子器件方面的应用   2005年,geim研究组[3 j与kim研究组h 发现,室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(约10 am /v·s),并且受温度和掺杂效应的影响很小,表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300 k下可达0.3 m),这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势,使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间,超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。此外,石墨烯减小到纳米尺度甚至单个苯环同样保持很好的稳定性和电学性能,使探索单电子器件成为可能。

代替硅生产超级计算机   科学家发现,石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊,一些电子设备,例如手机,由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中,它们被要求使用越来越高的频率,然而手机的工作频率越高,热量也越高,于是,高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现,高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。

光子传感器   石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上,这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的,现在,这个角色还在由硅担当,但硅的时代似乎就要结束。去年10月,ibm的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器,接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的,用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。

[2]

基因电子测序   由于导电的石墨烯的厚度小于dna链中相邻碱基之间的距离以及dna四种碱基之间存在电子指纹,因此,石墨烯有望实现直接的,快速的,低成本的基因电子测序技术。

[4-5]

减少噪音   美国ibm 宣布,通过重叠2层相当于石墨单原子层的“石墨烯(graphene)”,试制成功了新型晶体管,同时发现可大幅降低纳米元件特有的1/f。石墨烯,试制成功了相同的晶体管,不过与预计的相反,发现能够大幅控制噪音。通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合,从而控制噪音。噪声。

其它应用   石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌t恤;用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。

[6]

编辑本段获诺贝尔奖   他们曾是师生,现在是同事,他们都出生于俄罗斯,都曾在那里学习,也曾一同在

荷兰学习和研究,最后他们又一起在

英国制备出了石墨烯。这种神奇材料的诞生使

安德烈·海姆和

康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年

诺贝尔物理学奖。

  海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯。这是目前世界上最薄的材料,仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是,石墨烯高度稳定,即使被切成1纳米宽的元件,导电性也很好。此外,石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体,石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。

  海姆和诺沃肖洛夫认为,石墨烯晶体管已展示出优点和良好性能,因此石墨烯可能最终会替代硅。由于成果要经得起时间考验,许多诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发。而石墨烯材料的制备成功距今才6年时间,就获得了诺贝尔奖,这使诺沃肖洛夫感到意外。他说:“今天早上听说这个消息时,我非常惊喜,第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”而海姆则表示,“我从没想过获诺贝尔奖,昨天晚上睡得很踏实”。

  海姆认为,获得诺贝尔奖的有两种人:一种是获奖后就停止了研究,至此终老一生再无成果;一种是生怕别人认为他是偶然获奖的,因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人,当然我会像平常一样走进办公室,继续努力工作,继续平常生活。”

[1]

编辑本段部分石墨烯研究成果

ibm展示最小最快石墨烯晶体管   2011年4月7日ibm向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管,该产品每秒能执行1550亿个循环操作,比之前的试验用晶体管快50%。

  该晶体管的截止频率为155ghz,使得其速度更快的同时,也比ibm去年2月展出的100ghz石墨烯晶体管具备了更多的能力。

  ibm研究人员林育名表示,石墨烯晶体管成本较低,可以在标准半导体生产过程中表现出优良的性能,为石墨烯芯片的商业化生产提供了方向,从而用于无线通信、网络、雷达和影像等多个领域。

  该晶体管的研制是ibm承接美国国防部高级研究计划局的任务,研发高性能无线电频率晶体管,军方对此很感兴趣。目前它尚未可完全用于pc机,因为自然石墨烯中缺少能隙,石墨烯晶体管不具备数码切换操作需要的开闭比,从而在处理离散数码信号方面不如传统处理器。

  相比之下,石墨烯的连续能隙流使得其处理模拟信号的能力更强。通过使用ibm改良的“类金刚石碳”,石墨烯晶体管的温度稳定性更强。同时,它也是目前为止ibm最小的晶体管,选通脉冲宽度从550纳秒降到了40纳秒,而去年的产品宽度为240纳秒。

[7]

2011年成果   2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上,日本富士通研究所宣布,他们用石墨烯制作出了几千个晶体管。富士通研究所的研究人员将原料气体吹向事先涂有用做催化剂的铁的衬底,在这种衬底上制成大面积石墨烯薄膜。

  大面积的石墨烯制备一直是个难题。富士通用上述方法制成了高质量的7.5厘米直径的石墨烯膜。在此基础上,再配置电极和绝缘层,制成了石墨烯晶体管。由于石墨烯面积较大,富士通在上面制成了几千个晶体管。石墨烯晶体管比硅晶体管功耗低和运行速度快,可制作出性能优良的半导体器件。如果改进技术后有望进一步扩大石墨烯面积,这样能够制作出更多的晶体管和石墨烯集成电路,为生产高档电子产品创造了条件。

  2009年11月日本东北大学与会津大学通过合作研究发现,石墨烯可产生太赫兹光的电磁波。研究人员在硅衬底上制作了石墨烯薄膜,将红外线照射到石墨烯薄膜上,只需很短时间就能放射出太赫兹光。如果今后能够继续改进技术,使光源强度进一步增大,将开发出高性能的激光器。

  研究团队在硅衬底上使用有机气体制作一层碳硅化合物。然后,进行热处理,使其生长出石墨烯的薄膜。该石墨烯薄膜只需极短暂的时间照射红外线,就能从石墨烯上发送出太赫兹光。目前,该团队正致力于开发能将光粒封闭在内部,使光源强度增加的器件,期望能够开发出在接近室温条件下可工作的太赫兹激光器。

  2010年,美国莱斯大学利用该石墨烯量子点,制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦键合,形成石墨烷。石墨烷是绝缘体。氦使石墨烯由导体变换成为绝缘体。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛,就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱。该导电的石墨烯阱就可作为量子阱。量子点的半导体特性要优于体硅材料器件。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。

全球最小光学调制器问世 可高速传输信号 一秒钟内下载一部高清电影指日可待

  据美国媒体今晨报道,美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器,科学家表示,这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力,有望将互联网速度提高一万倍,一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究是由加州大学伯克利分校劳伦斯国家实验室的张翔教授、王枫助理教授以及博士后刘明等组成的研究团队共同完成的,研究论文将于2011年6月2日在英国《自然》杂志上发表。这项研究的突破点就在于,用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料,做成一个高速、对热不敏感,宽带、廉价和小尺寸的调制器,从而解决了业界长期未能解决的问题。

  华人科研团队将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部,建造出了这款能打开或关闭光束的光调制器(调制器是控制数据传输速度的关键),把电子信号转化成光学信号传输数字信息。铜导线长距离传输速度最高可达100兆,而每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。如果把10个石墨烯调制器放在一起,传输速度可以达到百万兆,上网速度将比现在快1万倍。价廉物美是石墨烯调制器的另一优势,"目前市场上的光学调制器5250美元一个,而我们的石墨烯调制器只需要几美元"。 相对于现有调制器几个平方毫米的体积,这种石墨烯调制器还具有体积小的优势,只有25平方微米,且仅有头发丝的四百分之一细,它可以放在电脑主板上的任何位置。张翔教授表示,新石墨烯调制器不仅可用于消费电子产品上,还可用于任何受限于数据传输速度的领域,包括生物信息学以及天气预报等,未来也会广泛应用于工业领域。

低成本石墨烯电池 或将实现“一分钟充电”

  据了解,美国俄亥俄州nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在近期出版的《纳米快报》上。

  目前,作为导电性、机械性能都很优异的材料,素来有“黑金子”之称的石墨烯目前在中国市场上的价格近十倍于黄金,超过2000元/克。

  新型石墨烯电池实验阶段的成功,无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛,而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段,石墨烯储能设备的研制成功后,若能批量生产,则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。(科技日报)

首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功  

  1月8日,

江南石墨烯研究院

[8]

对外发布,全球首款手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。该成果经上海科学技术情报研究所和厦门大学查实,显示为国内首创。

  江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司联合无锡丽格光电科技有限公司和深圳力合光电传感器技术有限公司共同研发的手机用石墨烯电容触摸屏项目,成功制成电容触摸屏手机样机,并完成了功能测试。这款透明到几乎用肉眼无法辨析的超级薄膜,具有现有智能手机触摸屏的基本功能,电容屏传感器整个触摸区域可以识别单指和双指触摸及进行画线动作,实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转,而这只是石墨烯材料产品之一。

  据此前相关报道称,石墨烯的相关产品目前在国外还处于研发和概念机阶段,尚未有大规模制造及商业化。而此次首款手机用石墨烯电容触摸屏的成功研制,表明了石墨烯产品从实验室逐步走向了市场。

参考资料

1.??石墨烯何以结缘诺贝尔奖-——《计算机世界》 2010年41期 2.??神奇的石墨烯 --《百科知识》2010年20期 3.??新材料之王------研究石墨烯科学家获2010年诺贝尔物理奖?. 4.??perspective and challenges of emerging single-molecule dna sequencing technologies?. 5.??石墨烯纳米孔设备可探测单个dna分子?. 6.??石墨烯—改变世界的新材料?. 7.??ibm展示最小最快石墨烯晶体管?. 8.??首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功?.

王凯平

(常州常捷科技有限公司,江苏 常州 213031)

摘要:脉冲或交流应用的干式金属化薄膜电容器在制造过程中,介质薄膜层与层之间不可避免的存有气隙。当运行电压超过某一值时,会发生气隙电离,导致金属化镀层被蒸发而形成大小不一的电离斑点,减小了电极的有效面积,显著降低了电容量值从而影响设备的正常运行;通过等效电路的计算,提出了介质相对介电常数大小影响电容器电离电压高低的关系式,显示了在高能量密度脉冲功率电容器的研发中过度追求高介电常数介质的路径可能存在的问题;文末列举了两份实验数据,提出了解决气隙电离的参考途径。

关键词:干式金属化薄膜电容器;气隙;气隙电离;电离斑点; 电离电压; 解决途径doi:

中图分类号:tn609 ?? 文献标识码:b? ??

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? ? ? 脉冲功率电容器是新概念电磁武器包括电磁脉冲武器和电磁动能武器等的脉冲功率电源的关键件,也是激光激发核聚变系统的基础件 [1]98。从文献公开的国内外数据看,此类脉冲功率电容器的充放电寿命大多不长,在能量密度为2.0 j /cm3左右时仅数千次而已。即使美国ga公司研制的cmx型电容器在2.0 j /cm3条件下,也只能达到5万次的水平 [1]99,实用价值似乎仍然不高。正常情况下,脉冲功率电容器充放电寿命的长短是指在规定的容量衰减条件下充放电次数的多少。显然此类电容器在充放电试验或实际应用过程中必然会产生电容量的减小,这种减小会导致脉冲功率装置无法正常运行。分析其原因,电容器介质层间发生了气隙电离应该是其中之一。因此,对于干式金属化薄膜电容器而言,深入讨论研究其气隙电离的有关问题对于增加脉冲功率电容器的充放电寿命具有一定的意义。

1? 气隙电离发生的原理

? ? ? 金属化薄膜电容器在制造过程中,介质薄膜层与层之间不可避免的存在着气隙。由于薄膜厚度的不均匀,薄膜表面的不平整,甚至金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙以及生产工艺等因素,这种气隙在某些位置还会比较严重。因此,金属化薄膜电容器如果无法消除这些气隙,则在脉冲或交流应用中当脉冲或交流电压超过某一水平时,上述存在的气隙会被电场击穿,发生气隙电离。电离时由于气隙“中性分子的外层电子将脱离分子的束缚”而逸出[2] ,在电容器介质薄膜和相邻一层薄膜的金属化镀层电极之间,产生带电荷的正、负离子。由于电场的作用,这些正、负离子在不同的层间分别向电容器的负、正电极运动,在和电极接触前瞬间产生放电火花,其能量蒸发掉对应位置的金属化镀层,在作为电极的金属化镀层上形成基本规则为圆形但大小不一的电离斑点。气隙电离发生的原理示意图:不均匀,薄膜表面的不平整,甚至金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙以及生产工艺等因素,这种气隙在某些位置还会比较严重。因此,金属化薄膜电容器如果无法消除这些气隙,则在脉冲或交流应用中当脉冲或交流电压超过某一水平时,上述存在的气隙会被电场击穿,发生气隙电离。电离时由于气隙“中性分子的外层电子将脱离分子的束缚”而逸出[2] ,在电容器介质薄膜和相邻一层薄膜的金属化镀层电极之间,产生带电荷的正、负离子。由于电场的作用,这些正、负离子在不同的层间分别向电容器的负、正电极运动,在和电极接触前瞬间产生放电火花,其能量蒸发掉对应位置的金属化镀层,在作为电极的金属化镀层上形成基本规则为圆形但大小不一的电离斑点。气隙电离发生的原理示意见

图1?电容器介质层间发生气隙电离的原理示意

2 ??气隙电离现象的实例描述

? ? ? 发生气隙电离后的电容器,在介质薄膜电极镀层上形成电离斑点的两例状况见图2和图3。

图2 形成电离斑点的金属化薄膜图例之一

图3 形成电离斑点的金属化薄膜图例之二

? ? ? 图2是一只1000pf的圆柱形多串联电容器在10kvac电压下数分钟内迅速发生气隙电离并解剖后两层金属化薄膜的图片。图中白色条状为介质薄膜,黑色条状是薄膜上的金属化镀层,其上的白色圆点、半圆点即为金属化镀层被蒸发后的电离斑点。在电容器电极上施加10kvac电压强迫其迅速发生气隙电离时,在电容器外表面能看到放电火花,并能听到“叭叭”的放电声响。仔细观察图2可以发现,位于金属化镀层条边缘处的电离斑点大都呈半圆或大半圆形态,而且面积较大;而在金属化镀层条上的斑点则呈现圆形且面积较小。这一现象表明,在金属化镀层条的边缘,由于10nm左右的镀层厚度和薄膜表面之间形成的空隙使得该处存在较多的气隙,而相对集中的较多气隙电离增加了该处的放电能量,从而蒸发掉较大面积上的金属化镀层;而缺失的半圆部分,则是因为该处没有金属化镀层电极而不会吸引带电离子的撞击,因而不存在放电火花,也不可能出现电离斑点。此外,电离斑点的不规则分布可以说明气隙的不规则存在。

? ? ? 图3是一只交流状态间歇使用三年后因为电容量下降20%而失效的电容器在解剖后两层金属化薄膜重叠在一起的图片,图4、图5则是把重叠的两层薄膜分开后单层薄膜的电离状况。该电容器使用边缘加厚金属化薄膜制造。仔细观察图4、图5可以看到,两层薄膜上的气隙电离现象有三个特点:其一是在金属化边缘加厚区电离斑点较少而且面积较小,这是因为在边缘加厚部位的金属化镀层较厚,并由此导致了电容器芯子在压扁定型时薄膜层与层之间相对致密而气隙较少的缘故;其二是在金属化加厚区和普通区的交界处,均有一排面积较小但非常密集的电离斑点,这一方面是由于该处的金属化镀层在此有一个由厚向薄的过渡带,导致该处气隙较多,因而气隙电离也就较多,另一方面是由于该处镀层厚度尚未明显降低,气隙电离时蒸发掉的金属较少而致电离斑点也较小;其三是在薄膜宽度方向靠近镀层加厚区一侧、离开加厚区的部分,因为金属化镀层较薄,气隙也较多,同样的放电能量能蒸发掉更大面积上的镀层金属,因而导致了这一区域产生大量面积较大的电离斑点

图4图3中重叠的介质分开后一层薄膜的状况

图5? 图3中重叠的介质分开后另一层薄膜的状况

3? ?气隙电离的后果

? ? ? 在灯箱上和高倍放大镜下观察上述图2至图5所示的气隙电离现象可以发现,电离斑点所在位置的介质薄膜基本正常,均没有发生穿孔,仅是表面上金属化镀层被蒸发掉而已。图4中几个电离斑点的放大图片见图6。其它发生更为严重气隙电离的电容器,尽管电容量下降甚至超过50%,但电容器仍未发生击穿的现象也可以证明此点。因此可以判断,对于金属化薄膜电容器而言,无论是短时内强迫发生的气隙电离,或是在较长工作时间内逐步发生的气隙电离,实际上不会发生介质的电离击穿,即是说,金属化薄膜电容器不存在介质电离击穿的问题,因为一旦气隙电离发生,其造成的电离斑点已经没有了金属化镀层而不再处于电容器的工作电场之中,也就不存在介质进一步被击穿的问题。因此,在脉冲或交流电压的作用下,电容器介质和相邻电极镀层之间的气隙电离给我们带来的后果不是文献所述“交流电压下的电离性击穿 [3]207”, 而是大量产生的电离斑点造成了极板面积的明显减小,从而造成电容量的显著下降而致电容器失效,严重缩短了电容器的使用寿命。对于脉冲功率电容器而言,如果存在气隙电离这一问题,则可能因为电容量的减小而达不到输出能量的要求,导致脉冲功率装置无法正常运行;对于电动机运转电容器而言,则由于电容量的减少会导致力矩减小,使得电动机不能正常运转。

图6? 图4中几个电离斑点的放大图片

4? ?气隙电离与自愈击穿的区别

? ? ? 金属化薄膜电容器在介质击穿时具有自愈的功能,自愈时也会发生放电声响并形成基本规则为圆形但大小不一的斑点,并导致电容量的减小。由此在一些场合会把气隙电离和击穿自愈两者混淆起来,但实际上它们却是两种不同的物理现象。不同于气隙电离的发生机理,自愈是在介质击穿瞬间,电容器的两个电极间在击穿位置发生间隙放电并形成瞬间的电流通路,导致了瞬间的过电流流过,间隙放电和瞬间过电流产生的热量蒸发掉穿孔点周围介质上的小块金属化镀层而形成斑点,并因此把穿孔点孤立于电容器工作电场之外而自愈。显然,不同的发生机理导致了气隙电离和击穿自愈两种现象存在着有无击穿孔的根本区别。此外,应该如何有效防止这两种现象的发生,也有着完全不同的途径。图7是一个击穿自愈斑点的图片,在放大镜下仔细观察自愈斑点,可以看到在击穿孔周围存在着一圈薄膜受热收缩形成的堆积物。

图7 金属化薄膜击穿并自愈后的图片

5? ?气隙电离的等效电路及分析

? ? ? 上述分析表明,对应用于脉冲和交流状态的干式金属化薄膜电容器而言,气隙电离是一个必须引起足够重视的问题,有必要进一步深入分析。

? ? ? 文献建立了具有封闭气隙的无机介质电容器模型,并导出了模型的等效电路[3]208。参照其原理,可以建立气隙在介质和金属化镀层之间的金属化薄膜电容器模型及其等效电路如图8。在电容器中,气隙的分布是不均匀的,各个位置的气隙大小也不相同。按照模型,我们仅针对某一个扁平型且垂直于电场方向的气隙具体分析其击穿电压和电容器开始发生气隙电离的门槛电压之间的关系,并分析影响气隙电离的三个因素。

图8 分析气隙电离的电容器模型和等效电路

? ? ? 在图8中,处于电场中的气隙具有厚度d1及面积s时,实际上构成了一个电容器。由于空气的相对介电常数近似为1,因此其电容量c1=ε0s /d1,ε0为真空绝对介电常数;而对应于气隙,由相对介电常数为 εr、厚度为d的介质构成了面积和c1相同的电容器c2,其电容量为c2= εrε0s /d。显然,如图所示,当在电容器的两电极间施加电压u时,处于同一电场中的介质电容器c2和气隙电容器c1上的分压关系为u2 / u1=c1/c2=d /εrd1 ,因而有:u2=u1d /εrd1,所以有u=u1 u2=u1(1 d /εrd1)。

? ? ? 根据对气隙电离现象的分析,在上式中当分配在气隙电容上的电压u1达到气隙的击穿电压ub时,气隙开始发生电离。此时施加于电容器电极的电压u=ui ,称之谓电离电压,实际上就是电容器可能发生气隙电离的起始门槛电压,于是有:ui =ub(1 d /εrd1)(1)

(1)式中,ub作为空气气隙的击穿电压,在同样外部条件下可以认为其值是不变的。因此,(1)式表明了电容器的电离电压ui受d、εr和d1影响的关系。介质厚度d越大、相对介电常数εr和存在的气隙d1越小,越有利于提高电容器电离电压ui的水平。但在工程上,由于介质厚度的增加会显著增大电容器的体积而没有选择的空间,所以不可能通过介质厚度来提高电离电压;而对于介质相对介电常数,就目前状况而言,基本上没有选择的余地。因此,影响电容器电离电压ui的主要因素是介质层间存在的气隙d1。如同前文对气隙电离实例的描述和分析,电容器产生电离斑点的状况,主要取决于介质层间存在气隙的状况,包括气隙的多少、大小和位置的分布,也和导致气隙电离发生时气隙所处电场强度的大小以及对应位置镀层金属的厚薄等因素有关。

? ? ? 根据(1)式,可以具体分析介质相对介电常数εr和存在的气隙d1对电容器电离电压ui的影响程度。

6? ?介电常数大小对气隙电离的影响

? ? ? 虽然目前对介质相对介电常数基本没有选择余地,但在脉冲功率电容器的研发中,为了提升能量密度指标,往往会追求相对介电常数更高的聚合物介质,希望εr达到10甚至更高。如此材料制成的电容器,其它如放电特性等性能不论,单就气隙电离可能导致电容器电容量下降、充放电寿命缩短就是一个不容小觑的问题,必须重视。由此,对于相对介电常数εr对气隙电离的影响,使用比较方法进一步作如下分析:

? ? ? 假定有2只电容器ca和cb,他们的d和d1均相同,但介质的相对介电常数εr不同,而且有εrb=nεra,n > 1。根据(1)式有:

uia=ub(1 d /εrad1)=ub(d εrad1)/εrad1

uib=ub(1 d /nεrad1)=ub(d nεrad1)/ nεrad1

于是有:uib/ uia=(d nεrad1)/(nd nεrad1) (2)由于n>1,必然nd>d因此:uib/ uia<1

? ? ? ?(2)式表明介质相对介电常数εr大的电容器在d和d1相同条件下比εr小的电容器电离电压会降低,而且εr越大,电容器的电离电压降得越低,在同样工作电压下更容易发生气隙电离。如果考虑在金属化薄膜电容器中气隙厚度d1非常之小,远不足以用μm来度量,在(2)式中我们把d1项舍去,则有:uib/ uia= 1/n (3)

? ? ? (3)式中的n为两种介质材料相对介电常数大小的比值,该式近似表明了介质相对介电常数大小影响电容器电离电压高低的反比关系。按照此式,如果使用相对介电常数为11的聚合物介质制造电容器,则与使用聚丙烯膜介质的相同电容器比较,前者的电离电压即开始发生气隙电离的门槛电压会降低至后者的大约1/5。

7? ?气隙多少对气隙电离的影响

? ? ? 有文献指出,“有这样一个最小电压值约250v(有效值),比它再低时,游离就不发生了[4]”。实际上,这一“最小电压值”的界限是有气隙多少的条件的。如果包括工艺在内的各种因素不能保证电容器介质层间存在的气隙低于某一水平,则很可能在200v(有效值)甚至更低的情况下,仍旧会发生气隙电离。可以作如下分析:

? ? ? 假设金属化聚丙烯膜电容器c在介质厚度为d、层间气隙为d1时的电离电压为ui,如果c的层间气隙d1增加为d1'且d1'=nd1,n>1,那么该电容器的电离电压ui'会在ui的基础上下降多少?

根据上述假设和(1)式,有:

ui=ub(1 d /εrd1)=ub(d εrd1)/εrd1

ui'=ub(1 d /εrnd1)=ub(d εrnd1)/ εrnd1

由此:

ui'/ ui=(εrnd1 d)(εrd1)/ (εrnd1)(εrd1 d)=(εrnd1 d) / (εrnd1 nd ) (4)

由于n>1,必然nd>d因此:ui'/ ui<1

? ? ? ?(4)式表明,介质层间气隙多的电容器,其电离电压一定偏低。如果考虑气隙厚度d1远不足以用μm来度量,在(4)式中把d1项舍去,则有:

ui'/ ui= 1/n (5)式中的n为同样电容器中介质层间气隙多少的比值,该式近似表明了电容器介质层间气隙多少影响电容器电离电压高低的反比关系。如果由于材料、工艺等因素导致电容器c的层间气隙在原来d1的基础上增加25% 即n=1.25,则电容器c的电离电压可能从原来的ui下降为0.8ui,即是说如果ui原来为250v(有效值),则气隙增加一定量后可能ui就降为200v(有效值)了。

8? ?解决气隙电离的参考途径

? ? ? 在大多应用场合,额定的脉冲电压或交流电压都会远高于电容器的电离电压。在此条件下,解决电容器的气隙电离问题只有两条途径:其一是消除存在于电容器介质层与层之间的气隙;其二是采用多串联的办法使其中每一串电容器上的工作电压低于其电离电压,从而不会发生气隙电离。

? ? ? 图9、图10显示了两只圆柱形多串联电容器在同样条件的脉冲充放电试验24万次并解剖后金属化薄膜(重叠在一起)的状况[5]。显然,图10电容器发生了严重的气隙电离,致使其与标称值0.02μf相比,电容量下降了17% ,仅为0.0166μf,而且可以看到电离斑点大量发生在金属化镀层条的边沿,和图2所示状况相似。其原因也和图2电容器相同,是由于金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙处积聚了较多气隙而造成,由此也能看出气隙d1之小。而图9电容器测量电容值几乎没有变化,解剖图片显示金属化薄膜状态正常,没有发现电离斑点。这两只电容器额定指标相同,尺寸均符合要求,只是设计上图9电容器比图10电容器多了一串。由此可以推测,恰恰是多出的这一串降低了每串电容器上承受的试验电压,使得此试验电压低于了它的电离电压。根据上述分析的结果还可以推测,若使用εr较高的介质材料来制造上述规格的电容器,则即使采用和图9电容器相同的串数时也可能导致气隙电离的发生。

图9 充放电试验后基本正常的金属化薄膜

图10 充放电试验后发生气隙电离的金属化薄膜

? ? ? 图11是三组多串联电容器充放电寿命试验的曲线图,三组电容器均为0.02μf,但结构分别为6串、7串和12串,试验条件为温度100℃,脉冲电压15kv,频率2.3hz[6]。试验曲线图表明:2只6串结构电容器在充放电39万次和78万次后均发生了严重的气隙电离,致使电容器的电容量发生雪崩式大幅下降;而7串结构的电容器在180万次充放电试验后电容量下降约为10%;至于12串结构的电容器则在180万次充放电试验后电容量变化很小,基本没有发生气隙电离。

? ? ? 上述两例高压电容器充放电寿命试验结果表明,对于在脉冲或交流工作状态的电容器,尤其是高能量密度要求下的干式高压脉冲功率电容器,必须设计有合理的串联数才能防止其气隙电离的发生,由此提升其充放电次数,保证达到更高使用寿命的要求。如果为了提升电容器能量密度指标而使用介电常数εr较大的介质材料,则对串联数会有更高的要求,并且由此也会对介质材料的厚度控制造成更大的难度。

图11 三组高压电容器充放电寿命的比较

9? 结论

? ? ? 在储能、电力等领域,使用干式金属化薄膜电容器已成为发展趋势。但干式电容器在制造过程中介质薄膜层间不可避免的存有气隙,当运行的脉冲或交流电压超过电容器的电离电压时,在电场作用下上述层间存在的气隙会发生电离,导致金属化镀层被蒸发而形成大小不一的电离斑点。不断发生的气隙电离会严重减小金属化镀层电极的有效面积,从而显著降低电容器的电容量而影响整个系统的正常运行。分析表明:气隙电离不会导致电容器介质的电离性击穿,只会因电容量的减小而降低其使用寿命;使用相对介电常数较大的介质材料制造的电容器,使用时发生气隙电离的门槛电压会降低,在相同工作条件下更易发生气隙电离;交流状态工作时,只要低于250v(有效值)即可防止发生气隙电离这一认知是有条件的,如果气隙偏多,即便在200v(有效值)或更低工作电压时同样可能发生气隙电离,这种气隙多少对于电离电压高低的影响在脉冲功率电容器中同样存在;通过多串联方法降低每一串电容器上的工作电压,使之低于其电离电压可以有效地防止气隙电离的发生。对于干式高能量密度的脉冲功率电容器而言,为了保证其在允许的容衰条件下获得更多的充放电次数,从而延长电容器的使用寿命,这一点尤其重要。

参考文献:

[1] 周水杉,章莉.脉冲功率电容器的应用和发展 [j]. 电子元件与材料,2016,35(11).

[2]王莹. 脉冲功率科学与技术 [m].北京:北京航空航天大学出版社,2010, 392.

[3]谢道华.电容器性能与设计计算[m].北京:中国标准出? ?版社,1991.

[4]西安电力电容器研究室译.电容器的设计与计算[m].1972,? 21.

[5]ray bowker. chinese multiplier cap evaluation update [r].new york:spellman high voltage electronics corporation,2003.

[6]ray bowker.voltage cycle testing of small diameter hv caps [r].new york:spellman high voltage electronics corporation,2009.

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