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        基于Comsol Multiphysics對(duì)聚偏氟乙烯儲(chǔ)能密度的仿真研究

        2018-04-08 09:08:58林鐸陳芬生梁珀榮陳駿耀
        魅力中國(guó) 2018年50期
        關(guān)鍵詞:探究實(shí)驗(yàn)

        林鐸 陳芬生 梁珀榮 陳駿耀

        摘要:近年來(lái),聚偏氟乙烯(PVDF)由于其擁有較高的耐擊穿電壓特性,因此以其為基體的復(fù)合材料常被用于做薄膜電容器的電介質(zhì)。本文基于多物理場(chǎng)仿真軟件Comsol Multiphysics對(duì)聚偏氟乙烯薄膜電容器進(jìn)行建模仿真,探究其儲(chǔ)能密度。

        關(guān)鍵詞:Comsol Multiphysics;儲(chǔ)能密度;薄膜電容器;聚偏氟乙烯(PVDF);耐擊穿電壓

        一、引言

        近年來(lái)隨著手機(jī)、PAD以及筆記本等便攜式設(shè)備普及和發(fā)展,對(duì)儲(chǔ)能電容器提出了小型化、低成本、輕質(zhì)量、高可靠性及高能量密度等更高要求。因此,如何在有限的器件空間里儲(chǔ)存更多的能量,即提高器件的儲(chǔ)能密度成為了研究重點(diǎn)。薄膜電容器是一種儲(chǔ)能密度較高的儲(chǔ)能器件。薄膜電容器的儲(chǔ)能密度與其本身電介質(zhì)和加在其上面的電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。本文使用多物理場(chǎng)仿真軟件Comsol Multiphysics對(duì)聚偏氟乙烯充當(dāng)電介質(zhì)的薄膜電容器進(jìn)行建模仿真,探究其儲(chǔ)能密度。

        二、Comsol Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件介紹

        Comsol Multiphysics擁有多種物理場(chǎng)接口,如靜電場(chǎng),磁場(chǎng)等,涵蓋了電學(xué),聲學(xué),化學(xué),電化學(xué),流體學(xué),熱力學(xué),光學(xué),半導(dǎo)體學(xué),結(jié)構(gòu)力學(xué)等多種學(xué)科和領(lǐng)域。Comsol Multiphysics的核心功能在于可以把這些物理場(chǎng)耦合起來(lái)進(jìn)行仿真,最大程度的模擬實(shí)際的實(shí)驗(yàn),可以快速的得到仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,具有省時(shí)省力的特點(diǎn),還可以用于在實(shí)際實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)的可行性先進(jìn)行探究,作為判斷是否有必要進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)的依據(jù)之一。本文使用Comsol Multiphysics里的靜電場(chǎng)接口進(jìn)行仿真。

        三、實(shí)驗(yàn)原理

        四、建模仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        本文以Jiaojiao Wei[1]的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模仿真。選取PVDF作為平行電容板的電介質(zhì),設(shè)定PVDF的相對(duì)介電常數(shù)為9.07,對(duì)電容板施加電壓為867V[1],探究其最大儲(chǔ)能密度。

        基本步驟如下:

        (1)新建Comsol Multiphysics模型,對(duì)模型的基本設(shè)置進(jìn)行配置

        模型向?qū)Аx擇空間維度(三維)→選擇物理場(chǎng)(靜電)→選擇研究(穩(wěn)態(tài));

        (2)構(gòu)建幾何模型

        選擇長(zhǎng)度單位(μm)→新建圓柱1體用作電介質(zhì)(半徑10,高度12)→新建圓柱體2及其鏡像用作平行板(半徑10,高度0.5);

        (3)配置幾何模型的材料

        增加材料→選擇PVDF→配置PVDF的介電常數(shù)為9.07[1]→配置PVDF的幾何實(shí)體(選擇所有域);

        (4)配置靜電場(chǎng)

        配置靜電場(chǎng)的域(選擇所有域)→新建終端(選擇域?yàn)閳A柱體2,選擇電壓為867V)→新建接地(選擇域?yàn)閳A柱體2的鏡像);

        (5)配置網(wǎng)格

        新建自由剖分四面體網(wǎng)格 1→尺寸選擇較粗化;

        (6)配置研究

        選擇生成缺省圖→計(jì)算結(jié)果;

        (7)配置缺省圖

        替換電勢(shì)3D繪圖組的表達(dá)式為es.W,單位為J/m3。

        仿真實(shí)驗(yàn)所得薄膜電容器的儲(chǔ)能密度為2.12×105 J/m3(0.21J/cc),與Jiaojiao Wei[1]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1所示)保持一致,可認(rèn)為模型正確。

        五、結(jié)語(yǔ)

        本文利用Comsol Multiphysics建立了一個(gè)較為準(zhǔn)確的模型,準(zhǔn)確地對(duì)聚偏氟乙烯薄膜電容器的儲(chǔ)能密度特性進(jìn)行了仿真探究,得到的結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。隨著電動(dòng)汽車、便攜式移動(dòng)設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對(duì)電子器件的儲(chǔ)能密度要求越來(lái)越高,可以利用本文的方法對(duì)聚偏氟乙烯等各種電介質(zhì)材料進(jìn)行建模,分析其儲(chǔ)能密度、耐擊穿電壓、局域漏電流等介電性能。

        參考文獻(xiàn):

        [1]位姣姣.高儲(chǔ)能密度電容器用聚合物薄膜介電擊穿特性研究[D].電子科技大學(xué).2015.

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