在脈沖功率設備中，作為儲能元件的脈沖電容器是極為重要的部件，在整個設備中占有很大的體積。現有的大功率脈沖電源設備大多采用箔式結構電容器或金屬化膜電容器，前者儲能密度低，發生故障易爆炸；后者放電電流小，放電壽命短。為滿足微波、激光等大功率發射裝置需要儲能元件具有高儲能密度、大輸出電流和長充放電壽命等特殊性能的要求，本文從理論上對陶瓷電容器的儲能密度、頻率、老化特性進行了分析，研制了陶瓷電容器試品，通過直流耐壓和重復充放電試驗對其性能進行了初步研究。

　　1陶瓷電容器電氣特性1.1影響儲能密度的因素電容的形成原理可用在兩塊導電電極之間夾有電介質的平行板型電容結構來說明。電極間電容量C為電容器儲存能量于兩電極間的絕緣材料中，絕緣材料的體積儲能密度為考慮到金屬電極本身的厚度及絕緣材料的留邊、外殼、引線等，電容器的總體積Vt將大于電極間所夾絕緣介質的有效體積Vi，設定Vt/Vi=K（K> 1），則按電容器整體體積計算的儲能密度為由（4）式可知，要實現高的儲能密度，絕緣介質必須具有很大的介電常數、盡量小的K值，或者能承受很高的工作場強。電容器技術發展至今，在絕緣材料的留邊、引線、外殼等方面的技術己經相當完善，想降低K值的潛力不大，因而獲得高介電常數和高工作場強的絕緣介質是提高電容器儲能密度的主要研究方向。

　　1.1.1陶瓷介質的介電常數陶瓷電容器的絕緣介質選用鈦酸鋇（Ban3）基瓷料，這類鐵電體是極性材料，晶格中高價的t，被周圍的2-包圍，在鈦氧離子之間存在相互作用。當Ti4+在外電場作用下發生位移時便會引起2-的電子層發生強烈的變形，02-的電子位移極化反過來又加強了T，上的電場，使得Ti4+發生更大的位移。在離子位移極化和電子位移極化的相互作用下，晶體處于高度的極化狀態，表現出很高的介電常數。根據陶瓷介質材料的介電溫度特性可知，材料處于居里點時（如BaTi3陶瓷為120*C）其相對介電常數達到比較大值。

　　*：2⑴40-04；修訂日期：2⑴40614基金項目：國家863計劃項目資助課題◎：朱錢男碩士生▲稼壓技術術的的作騎出挪您通翌或mreserved.另外，當溫度降到居里點以下時，隨著溫度繼續下降，BaTi3晶體由立方晶系變為四方晶系，Ti4會偏離中心位置，產生極性，發生自發極化。自發極化會隨外電場的方向而改變。在電場作用下，鐵電體的極化強度P隨場強E的變化軌跡為電滯回線。描述電滯回線的主要參數是外加電場為零時的自發極化強度Ps和使自發極化反相所需的矯頑電場強度Ec.BaTi3晶體的Ps為2.6x10-9C/m2，Ec為0.65V/Um，可知BaTi3的Ec不大，因而較低的場強就能使晶體的自發極化反轉。這也是BaTi3具有很高介電常數的原因之一。

　　在BaTi3中摻雜移峰劑，可以使居里點移至常溫，一般BaTi3基陶瓷在常溫下的相對介電常數能達103~ 104量級。

　　1.1.2陶瓷介質的工作場強陶瓷的瓷相主要由晶相、玻璃相和氣相組成，此外還存在一定量的氣孔和雜質。瓷料的性質主要由晶相性質決定，而Ban3晶格離子之間、離子電子之間極化作用很強，因此Ban3陶瓷晶相必然具有較高的抗電強度。玻璃相來源于瓷料中各組份達到一定溫度后形成的低共熔物和在電子陶瓷燒結工藝中的添加劑以及混入瓷料中的雜質。由于在玻璃相中存在大量的松弛結構，過大的晶界能影響到陶瓷的介電性能，使介質容易擊穿。氣相是燒結過程中難以避免的產物，為了提高陶瓷的抗電擊穿能力，氣孔要盡可能小、盡可能少。由于陶瓷介質整體的抗電強度與其制作工藝密切相關，采用先進工藝制作的Ban3基陶瓷介質在直流和工頻交流電場下的擊穿場強能達到20V/Um以上。

　　結合陶瓷介質的高介電常數和高工作場強兩個方面可知：陶瓷電容器能夠實現高儲能密度。

　　1.2頻率特性陶瓷制品的頻率特性因摻雜成分的不同而表現出很大的差異，例如作為微波介質材料的高頻陶瓷（如Ba2Ti92）工作頻率可達GHz數量級。制作電容器的高頻電容器陶瓷和低頻電容器陶瓷頻率特性也不一樣。高頻電容器介質材料極化時僅有電子的位移極化和離子彈性位移極化，極化過程不消耗能量，即沒有極化損耗，因而介質損耗由電導損耗、游離損耗和附加損耗組成，外在表現出很小的tan5值（一般小于6x 10-4）。低頻電容器陶瓷介質材料極化時還存在與溫度和外電場相關的離子松弛式極化和轉向極化，極化過程要消耗能量，對介質損耗影響較大，表現出較Fig.1￡randtan5ofBaTiO3ceramic大的tan5值（一般高達10-2數量級）。BaTiO3陶瓷是典型BdriO3陶瓷的和tanS的低頻電容器陶瓷材料，頻率特性如所示。可知，當工作頻率高于107Hz時，相對介電常數*r的下降和介質損耗tan5的上升比較明顯，因而BaTiO3基陶瓷電容器不能應用于頻率高于107Hz的工作條件下，但可用于數kHz至數MHz的振蕩放電回路中，能夠承受較大功率的脈沖電流。

　　1.3老化特性電容器老化表現為電容量C的減小和介質損耗tan5的增大，在陶瓷電容器中C的減小為介電常數*減小的外在體現，而BaTiO3基陶瓷的介電常數具有隨時間變化而逐漸達到穩定的特性。剛做成的陶瓷電容器試樣品在強電場的作用下，C和tan5值起初變化快，后來越變越慢，陶瓷這種介電特性的時間效應即為陶瓷老化。

　　以BaTiO3陶瓷為例，老化現象主要是由電疇運動引起的。當溫度高于居里點時不存在自發極化，當溫度降到居里點時，自發極化立即發生，瞬時形成電疇。初生的電疇，活性很大，處于一種自由能較高的介穩狀態中，故極易為外電場所定向，表現為具有較大的e和較小的tan5.隨著時間的延長，在熱運動的激烈作用下，初生電疇將通過新疇成核、疇分裂和疇壁移動等方式消除電疇初始形成的電疇應力，從而調整到自由能更低、更穩定的疇結構狀態，活動性大為降低，C和tan5值逐漸趨向穩定。工藝良好的BaTiO3基陶瓷電容器能夠多次充放電，具有很長的壽命。一個1yF/500V電容器試樣品通過750V直流耐壓試驗后在100Hz重復頻率下進行充放電試驗，其C和tan5值的變化如所示。

　　電容量和介質損耗的變化2可靠性試驗2.1無損檢測陶瓷電容器除了晶相內部有自身結構缺陷外，由于制作工藝極為復雜，在坯件制造過程中不可避免地會引入雜質，在燒結成瓷過程中將形成裂紋和不可能完全消除的氣孔等，因此比較終形成的電容器產品內部不同程度地存在分層、裂紋、氣孔、結塊、雜質等缺陷。我們采用超聲波無損探傷技術對試驗樣品進行了檢測，篩選掉內部有較大缺陷的試樣品，留9片合格品。

　　2.2破壞檢測試樣品是以BaTi3為主要原料、符合X7R溫度特性的多層陶瓷電容器，其設計工作電壓為500V，電容量C為1PF，體積儲能密度為720J/L.破壞試驗包括直流耐壓試驗和壽命試驗兩部分。首先對試品做直流耐壓。

　　充放電電壓（a）和放電電壓（b）波形9片試樣品全部通過750V直流耐壓試驗，其中試樣品1和2完成了重復充放電次數達107次的壽命試驗后C分別為1. 19%和1.21%；其余7片都分別進行了1.08x106次重復充放電壽命試驗。測試結果如表1所示，NT表示無損檢測。

　　表1電容器檢測數據記錄◎由表可知，直流耐壓試驗后無缺陷和有缺陷試樣品電容量下降的平均值分別為0.058 08x16次壽命試驗使得沒有缺陷和有缺陷的試樣品電容量下降平均值分別為。

　　284和0.0186UF；9片試樣品在整個試驗過程中介損值變化量不大。通過無損探傷篩選出的沒有內部缺陷的電容器試樣品與有微小缺陷的試樣品在設定的破壞性檢測條件下，其電容量和介損值的變化沒有很大差別，電容器內部缺陷大小程度對其可靠性的影響有待進一步研究。試樣品1和2在直流耐壓試驗后電容量減小量為初始值的4. 56%和494%，充放電107次過程中電容量減小量分別為初始值的2. 64%和2.36%，可知耐壓試驗對電容量的損失起主要作用。從記錄試驗數據得知：隨著充放電次數的加，電容量和介損變化量逐漸減小。另外，從可以看出：試樣品電容器在高于50kHz的高頻振蕩放電時能保持較好的放電電壓波形。試驗結果與理論分析結果比較吻合口。

　　3結束語通過從理論上對陶瓷電容器的儲能密度、頻率、老化特性的分析和從試驗上對試制的陶瓷電容器試樣品的可靠性的研究可知：陶瓷電容器具有電氣特性穩定、高頻特性良好、儲能密度高、壽命長等優點，適合作為微波、激光、航天器等大功率強電流發射裝置中的初級儲能元件，或用于其它大電流電源中。