薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件, 受限于薄膜介质材料的介电常数偏低, 当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度, 即可释放电能密度), 从而导致薄膜电容器体积偏大, 应用成本过高。将具有高击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合, 制备聚合物/陶瓷复合电介质, 是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的0-3型聚合物/陶瓷复合电介质, 其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升, 限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾, 研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜, 制备了2-2型多层复合电介质, 能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明, 调控多层复合电介质的介观结构与微观结构, 可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制, 并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。
薄膜电容器 多层聚合物基复合电介质 介电常数 击穿场强 储能密度 综述 film capacitor multilayer polymer-based composite dielectric dielectric constant breakdown strength energy storage density review
国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 410073
PFN-Marx发生器可同时实现升压和脉冲形成，具有紧凑的基因。特别是近年来脉冲储能技术的发展，使得直接利用PFN-Marx发生器驱动各类负载成为现实，因而PFN-Marx发生器逐渐成为国内外研究热点。对国内外的高功率紧凑PFN-Marx发生器的研究进展进行了系统介绍，评述其参数和结构特点。通过总结，从时间发展历程上看，PFN-Marx发生器采用高储能密度器件，装置的储能密度水平在不断地提高，尺寸紧凑化水平也在提高；在追求紧凑化的手段上，PFN-Marx发生器的空间结构的优化设计效果优于PFN网络拓扑参数的优化设计；PFN-Marx发生器采用波形优化方法具有较明显的收益，可有效降低装置紧凑化带来级间分布参数更强耦合的负面影响。同时论文探讨了PFN-Marx发生器的发展趋势，为PFN-Marx发生器的研究和技术路线探索提供参考和依据。
高功率 脉冲形成网络 PFN-Marx发生器 高储能密度 high power pulse forming network PFN-Marx generator high energy storage density 强激光与粒子束
2022, 34(7): 075001
1 河北农业大学理学院, 保定 071001
2 河北大学物理科学与技术学院,保定 071002
通过修正的Landau-Devonshire热力学模型构建了PbZr0.4Ti0.6O3/SrTiO3异质结的电滞回线方程, 得到了剩余极化强度Pr、矫顽电场Ec和有效储能密度Wrec的关于PbZr0.4Ti0.6O3薄膜厚度h的解析函数, 进而研究了连续厚度h对PbZr0.4Ti0.6O3薄膜铁电性能和铁电储能性能的影响。结果表明, Pr, Ec 和Wrec均随PbZr0.4Ti0.6O3薄膜厚度h的增加呈非线性增大, 且当厚度h分别为57.0 nm、64.2 nm和65.8 nm时, 达到饱和值75.3 μC·cm-2、2 240.7 kV·cm-1和9.0 J·cm-3, 而能量转换效率η随h的增加呈现出非线性减小, h接近52.6 nm时, η趋于一稳定值4.79%。此外, 瞬时相对变化率W′rec(h)和η′(h)均随h增加而减小, 当h小于2.4 nm时, η′(h)大于W′rec(h), 当h大于2.4 nm时, η′(h)小于W′rec(h), 且当h接近50.0 nm时, η′(h)/W′rec(h)趋于一稳定值0.65。
锆钛酸铅薄膜 剩余极化强度 有效储能密度 瞬时相对变化率 PbZr0.4Ti0.6O3 thin film remanent polarization effective energy storage density instantaneous relative rate of change
1 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院研究生院, 北京 100088
4 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 200050
5 江苏师范大学物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116
理论设计了二极管端面抽运Nd:YAG复合陶瓷板条, 制作了双浓度掺杂的Nd:YAG复合陶瓷板条。当二极管总抽运功率为18.06 kW时, 通过双程放大提取了7.08 kW的激光功率, 光光转换效率高达39.2%, 单程传输的退偏振约为3.2%。实验结果表明, Nd:YAG复合陶瓷板条对提高板条激光器的输出功率和减小退偏振具有显著的效果。
激光器 激光陶瓷 板条激光器 分段掺杂 储能密度 退偏振
1 中国工程物理研究院研究生院, 北京 100088
2 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
开展了高功率双掺杂浓度板条激光技术的理论与实验研究，通过分段掺杂有效降低了板条长度方向上的吸收抽运功率密度的不均匀性，显著提高了单个激光板条的平均储能密度，总储能提高了39%。当二极管总抽运功率为15 kW时，3 kW的种子光源通过双掺杂板条可提取5.16 kW的功率，这个数值相比单掺杂板条增加了36%，且光光转换效率为34.4%，与理论预期基本相符。
激光技术 板条激光器 光光转换效率 分段掺杂 储能密度
国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
采用一种具有高储能密度的玻璃陶瓷板介质作为平行平板层叠Blumlein线(SBL)的储能介质, 设计了一种平行平板SBL。针对该SBL的特点, 设计了一种层叠轨道间隙触发开关。在实现多通道时, 模拟与实验研究结果均表明该开关的上升时间小于10 ns。为验证这种设计理念, 制造了一台2级平行平板SBL样机, 实验结果表明, 该结构适合于实现脉冲功率系统的模块化设计。
层叠Blumlein线 陶瓷储能介质 高储能密度 轨道间隙开关 触发开关 stacked Blumlein line ceramic storage dielectric high energy storage density rail-gap switch triggered switch
华中科技大学 电气与电子工程学院， 强电磁工程与新技术国家重点实验室， 武汉 430074
介绍了现有技术条件下脉冲电容器的各种性能参数及其测试方法，包括储能密度、寿命、保压性能、绝缘电阻等；同时介绍了元件的主要分析测试手段，如大电测试、保压测试等，并研究了后处理工艺、介质系统优化和绝缘系统优化对电容器性能的影响。在此基础上，面向不同应用条件如大电流放电、长寿命、真空环境等，对高储能密度脉冲电容器进行研究，并给出相应的性能参数、限制条件和发展前景。研究结果表明： 50 kV/20 μF的电容器，可实现120 kA/80 μs的大电流输出，并通过-50~60 ℃的高低温考核；基于绝缘系统优化的浸渍型脉冲电容器，充放电寿命为干式结构的2~3倍，储能密度为2.0 kJ/L时，寿命大于1 000次，储能密度为1.3 kJ/L时，寿命大于10 000次；1.4 kJ/L高储能密度电容器，可以工作在气压小于10-3 Pa的真空条件下，输出电流达100 kA。
脉冲电容器 高储能密度 寿命 大电流放电 pulsed power capacitors high energy storage density lifetime high current discharge
1 中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033
2 中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033
考虑到转子与驱动机构的连接,给出了一种金属轮毂加复合材料轮缘结构飞轮转子的设计方法.分析了转子材料、结构、连接及制作工艺等因素对储能密度的影响,分析结果表明:复合材料轮缘内外径比值α是影响其储能密度的关键,根据轮缘材料选取合理值,对轮毂进行优化可以进一步提高转子的储能密度.分析中所用复合材料及胶粘剂力学常数的准确性是影响仿真结果的主要因素,通过实验对其理论值进行修正可以进一步提高仿真结果的准确性.对实际应用中一个具体飞轮转子进行了设计并制作出了转子,在20 000 r/min转速范围内进行了旋转应力实验,仿真分析与实验结果取得了较好的一致性,证明了本文设计方法的正确性.
复合材料 飞轮转子 储能密度 仿真分析
华中科技大学,电气与电子工程学院,武汉,430074
主要研究了高储能密度多层陶瓷电容器(MLC)在不同充放电频率、充电电压、充放电占空比和放电反峰系数等条件下的寿命特性,并对其失效机理进行分析.实验发现,正常情况下MLC试品的击穿需要经过局部放电通道不断发展,绝缘逐渐被破坏的过程,寿命较长,发热和试品内部的交变应力是推动局部放电通道不断发展的根本因素.充放电频率的升高使试品发热加剧,寿命缩短;充电电压和放电反峰系数的增大使发热和介质内应力加剧,可以使寿命缩短90%以上.改善散热可以有效提高试品寿命,如当充放电频率为136 Hz时,采用油浸散热比空气自然换流散热寿命延长300%.
多层陶瓷电容器 高储能密度 疲劳击穿 寿命 强激光与粒子束
2006, 18(10): 1753
国防科学技术大学,信息系统与管理学院,系统工程系,长沙,410073
根据强激光能源模块高储能密度电容器在工作过程中,受到连续冲击而使退化失效具有累积效应的特点,提出了利用产品运行过程中性能参数退化的信息,用复合Poisson过程对退化轨道建模并进行可靠性评估的方法.给出了模型参数的矩估计和电容器的平均退化量、可靠度、平均寿命等可靠性指标评估的Bootstrap仿真过程.并通过实例说明了该评估方法在工程中的应用.基于电容退化信息的可靠性评估方法,可以在极少甚至没有寿命数据的情况下给出客观可信的评估结果,在理论和应用上都具有重要的价值.
高储能密度电容器 强激光能源模块 可靠性评估 性能退化 复合Poisson过程 矩估计
