壹種用於儲(chu)能電介(jie)質充(chong)放(fang)電特(te)性(xing)研(yan)究(jiu)的(de)試(shi)驗設備(bei)

壹種用於(yu)儲(chu)能電介(jie)質充(chong)放(fang)電特(te)性(xing)研(yan)究(jiu)的(de)試(shi)驗設備(bei)

Huace-DCS10KV電介(jie)質充(chong)放(fang)電測(ce)試(shi)系統主要用(yong)於研(yan)究(jiu)介(jie)電儲(chu)能材(cai)料(liao)高(gao)電壓(ya)放(fang)電性(xing)能。目(mu)前(qian)常規的(de)方(fang)法(fa)是通過電滯(zhi)回(hui)線計算(suan)高壓(ya)下電介(jie)質的能量(liang)密度(du)，測(ce)試(shi)時，樣品的(de)電荷(he)是放(fang)回(hui)到高壓(ya)源上(shang)，而不(bu)是釋(shi)放(fang)到負(fu)載上(shang)，通過電滯(zhi)回(hui)線測得的(de)儲(chu)能密度(du)壹般(ban)會(hui)大(da)於(yu)樣品實(shi)際(ji)釋放(fang)的(de)能量(liang)密度(du)，無(wu)法(fa)正確評(ping)估(gu)電介(jie)質材(cai)料(liao)的(de)正常放(fang)電性(xing)能。華測(ce)Huace-DCS10KV儲(chu)能電介(jie)質充(chong)放(fang)電系統采(cai)用專門設(she)計(ji)的(de)電容(rong)放(fang)電電路(lu)來測(ce)量(liang)，測試(shi)電路(lu)如(ru)下(xia)圖(tu)所示。在該電路(lu)中，首先(xian)將(jiang)介(jie)電膜(mo)充(chong)電到給定(ding)電壓(ya)，之後(hou)通(tong)過閉合高(gao)速MOS高壓(ya)開關(guan)，存(cun)儲(chu)在電容(rong)器膜(mo)中的(de)能量(liang)被放(fang)電到電阻(zu)器負(fu)載的(de)原理設計(ji)開發(fa)，更符(fu)合電介(jie)質充(chong)放(fang)電原(yuan)理。

典(dian)型(xing)的(de)測(ce)試(shi)電路(lu)

華測Huace-DCS10KV儲(chu)能電介(jie)質充(chong)放(fang)電系統采(cai)用專門設(she)計(ji)的(de)電容(rong)放(fang)電電路(lu)來測(ce)量(liang)，測試(shi)電路(lu)如(ru)下(xia)圖(tu)所示。在該電路(lu)中，首先(xian)將(jiang)介(jie)電膜(mo)充(chong)電到給定(ding)電壓(ya)，之後(hou)通(tong)過閉合高(gao)速MOS高壓(ya)開關(guan)，存(cun)儲(chu)在電容(rong)器膜(mo)中的(de)能量(liang)被放(fang)電到電阻(zu)器負(fu)載。在放(fang)電過程中電壓(ya)對樣品的(de)時(shi)間依賴性(xing)可(ke)以(yi)通過檢波器進(jin)行(xing)記(ji)錄(lu)。介(jie)電材(cai)料(liao)的(de)儲能性(xing)能通常取(qu)決於放(fang)電速度，可(ke)通(tong)過改(gai)變(bian)負(fu)載電阻(zu)器的(de)電阻(zu)來調節。通(tong)常測試系統中裝(zhuang)了具(ju)有不同(tong)電阻(zu)的(de)電阻(zu)器。在測試過程中，用(yong)戶需(xu)要選擇(ze)電阻(zu)器或(huo)幾(ji)個電阻(zu)器的(de)組(zu)合獲(huo)得所需的電阻(zu)，並將(jiang)電阻(zu)器或(huo)電阻(zu)的(de)組(zu)合連接到測試(shi)的電介(jie)質材(cai)料(liao)。在該電路(lu)中，選擇(ze)高(gao)壓(ya)MOSFET開關(guan)以釋(shi)放(fang)儲(chu)存(cun)的(de)能量(liang)非常重要。該開關(guan)限制電路(lu)的(de)最大(da)放(fang)電速度和(he)最大(da)充(chong)電電壓(ya)。本套測(ce)試系統由放(fang)電采(cai)集電路(lu)、高(gao)壓(ya)放(fang)大(da)器或(huo)高(gao)壓(ya)直流電源和(he)控制計(ji)算(suan)機構成(cheng)。在測試中，測(ce)試人(ren)員(yuan)需(xu)要通(tong)過選擇(ze)合適的(de)電阻(zu)來確定(ding)測(ce)量(liang)的放(fang)電速度，測(ce)試樣品上(shang)的電壓(ya)可(ke)以(yi)由計(ji)算(suan)機自動(dong)獲(huo)得。

利(li)用放(fang)電電路(lu)進(jin)行(xing)測(ce)試

與P-E回(hui)滯測(ce)量(liang)類似，在放(fang)電測(ce)試(shi)之前(qian)，應(ying)在介電材(cai)料(liao)的(de)表面(mian)制(zhi)備導電電極(ji)，還(hai)應(ying)測量(liang)可(ke)用(yong)於估計(ji)測(ce)試(shi)的放(fang)電速度的(de)弱(ruo)場(chang)介電特(te)性(xing)。因為(wei)在測試中經(jing)常涉及幾(ji)千(qian)伏(fu)的(de)高(gao)電壓(ya)，所以介電材(cai)料(liao)通(tong)常浸(jin)入矽(gui)油(you)中。測(ce)試者(zhe)應(ying)該確定(ding)他(ta)們(men)感興(xing)趣的放(fang)電速度。放(fang)電速度可(ke)以(yi)通過樣品的(de)低(di)場(chang)電容(rong)C和(he)負(fu)載電阻(zu)RL(RLC常數）粗(cu)略(lve)計(ji)算(suan)。壹旦(dan)確定(ding)了(le)期(qi)望(wang)的(de)放(fang)電速度，就(jiu)可(ke)以(yi)選擇(ze)負(fu)載電阻(zu)器並將(jiang)其連接到測試(shi)樣品，然後將(jiang)充(chong)電電壓(ya)施加(jia)到介電材(cai)料(liao)。壹(yi)旦樣品全(quan)部(bu)充(chong)電，然後通過按(an)下(xia)電路(lu)盒(he)上(shang)的放(fang)電按(an)鈕關(guan)閉高(gao)速開關(guan)，將(jiang)儲(chu)存(cun)的(de)能量(liang)釋放(fang)到負(fu)載電阻(zu)器，電阻(zu)器上(shang)電壓(ya)的時間(jian)依賴性(xing)就可(ke)由計(ji)算(suan)機自動(dong)記(ji)錄(lu)。

在此將(jiang)以(yi)P（VDF-TrFE-CFE）三元共(gong)聚物（63／37／7.5）作為示例(li)材(cai)料(liao)，來演示如(ru)何解(jie)釋(shi)放(fang)電結(jie)果。使用上(shang)圖(tu)所示的電路(lu)，表(biao)征(zheng)三元共(gong)聚物對負(fu)載電阻(zu)器的(de)放(fang)電行(xing)為(wei)。使(shi)用(yong)時間相關(guan)的電壓(ya)數據(ju)公式(shi)，可(ke)以(yi)計算(suan)放(fang)電能量(liang)密度(du)的(de)時(shi)間依賴性(xing)。圖(tu)中顯示了三元共(gong)聚物中不(bu)同(tong)充(chong)電電場(chang)的1MΩ負(fu)載的(de)放(fang)電能量(liang)密度(du)隨時間的變(bian)化(hua)。總(zong)放(fang)電能量(liang)密度(du)與從單(dan)極P-E回(hui)路推(tui)導出的能量(liang)密度(du)相(xiang)當。這裏(li)使用(yong)薄(bo)膜(mo)樣品的(de)電容(rong)在1kHz下測量(liang)為約(yue)1nF。對幾(ji)種三元共(gong)聚物膜(mo)樣品進(jin)行(xing)表征(zheng)發(fa)現(xian)，由於(yu)極(ji)化響(xiang)應(ying)的非(fei)線性(xing)和(he)頻(pin)率(lv)依賴性(xing)，三元共(gong)聚物的放(fang)電特(te)性(xing)不能簡單(dan)地通(tong)過RC常數來描(miao)述，其中R是(shi)電阻(zu)(R=RL+ESR)假(jia)設(she)電容(rong)器電容(rong)不(bu)隨頻(pin)率(lv)、電場(chang)和(he)RC電路(lu)和(he)RC電路(lu)的(de)時(shi)間(jian)常數(τ=RLC+ESRXC)變化，如果RL>ESR，可(ke)以(yi)忽略(lve)ESRXC,，則放(fang)電能量(liang)密度(du)與時間(jian)的(de)關(guan)系如下： Uc(1)=UD(1-e-(21/t)) 式(shi)中，UD為(wei)放(fang)電能量(liang)。

為了便於比(bi)較，使用(yong)1nF的電容(rong)和(he)1MΩ的負(fu)載電阻(zu)，利(li)用公(gong)式(shi)來估(gu)算(suan)能量(liang)放(fang)電時(shi)間(jian)。70％能量(liang)釋放(fang)所需理論放(fang)電時(shi)間為0.6ms，50％能量(liang)釋放(fang)所需理論放(fang)電時(shi)間(jian)為(wei)0.35ms。而(er)實(shi)驗中，這(zhe)兩種能量(liang)釋放(fang)所需放(fang)電時(shi)間(jian)分別(bie)為0.66ms和(he)0.3ms。估計(ji)值和(he)測量(liang)值之間(jian)的(de)差(cha)異(yi)反映了(le)非線性(xing)［有效(xiao)介電常數在高場(chang)（＞100MV／m）變小］和(he)介電響(xiang)應(ying)的頻(pin)率(lv)依賴性(xing)（介電常數在更高頻(pin)率(lv)或更短放(fang)電時(shi)間(jian)下(xia)變(bian)得更(geng)小(xiao)）。此(ci)外(wai)，ESR在高頻(pin)（或短放(fang)電時(shi)間(jian)）下(xia)很小，並且(qie)在放(fang)電後(hou)時(shi)間(jian)變(bian)

長(chang)。

對於相(xiang)同(tong)的三元共(gong)聚物薄膜(mo)電容(rong)器，其他(ta)負(fu)載電阻(zu)（(RLL分別(bie)為100kΩ和(he)1kΩ）下放(fang)電能量(liang)密度(du)如(ru)圖(tu)所示。正如(ru)預期(qi)的(de)那(na)樣，減小(xiao)的(de)RL會縮(suo)短放(fang)電時(shi)間(jian)。然而，仔細(xi)檢(jian)查實(shi)驗數據(ju)發(fa)現(xian)，放(fang)電時(shi)間(jian)的(de)減(jian)少與RL的減(jian)少(shao)不(bu)成比(bi)例(li)。