王健濤，吳致遠(yuǎn)，王昕劼，鐘少龍，黨智敏

（1.清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

金屬化薄膜電容器是將金屬化的聚合物薄膜卷繞得到的電容器。相比傳統(tǒng)油浸式電容器，金屬化膜電容器可以避免絕緣油泄露的問題，噪聲水平更低，體積和重量小于油浸式電容器，儲能密度高，更好的滿足柔性直流輸電系統(tǒng)的空間和能量要求。金屬化膜電容器憑借諸多優(yōu)點，還廣泛應(yīng)用于電動汽車、軌道交通、國防武器等方面，對薄膜電容器和金屬化膜的研究具有重要意義[1-2]。

金屬化膜具有自愈性能，能夠提高電容器在高場強下的工作穩(wěn)定性。當(dāng)電容器場強升高時，電弱點位置首先發(fā)生擊穿，形成放電通路，電荷流經(jīng)放電通道產(chǎn)生的大量熱使得電弱點附近的金屬層氣化，將電弱點電氣隔離，電容器恢復(fù)到之前的電壓水平，使得絕緣重新恢復(fù)[3-5]。

金屬化膜電容器最常用的介質(zhì)材料是雙向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene，BOPP）薄膜，在常溫下具有低損耗和較高的擊穿電壓。但高溫下BOPP薄膜的性能會快速下降，因此更耐高溫的聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）薄膜也是常用的薄膜電容器材料[6]。金屬化膜電容器的電極材料一般為鋁、鋅或鋅鋁合金，厚度在100 nm 以下[7]。金屬化膜電容器的核心在于金屬化的聚合物薄膜，金屬化膜的電學(xué)性能和自愈性能會直接影響卷繞后形成的電容器的性能。金屬化膜則是由金屬層、介質(zhì)層以及界面組成的，對于金屬化膜的調(diào)控最為直接的是金屬層以及介質(zhì)層的種類和厚度。因此本文通過搭建自愈性能測試平臺，研究了金屬層厚度對聚合物薄膜擊穿性能和自愈性能的影響。

1 自愈性能測試方法

金屬化膜在自愈的過程中會發(fā)生短暫的介質(zhì)擊穿、等離子產(chǎn)生、金屬受熱蒸發(fā)以及最后電弧熄滅等多個現(xiàn)象[8]。當(dāng)發(fā)生自愈放電時，電弱點的位置形成通路和電弧，自愈電弧從形成到消失的過程中，導(dǎo)電通路的形成會消耗一定的能量，也就是自愈能量。薄膜自愈的成功概率主要由自愈能量的大小決定，當(dāng)自愈能量過大時，可能造成薄膜受熱分解的石墨層堆積，或多層薄膜燒結(jié)，放電通道連接，使得自愈不徹底導(dǎo)致自愈失敗，電容器絕緣無法恢復(fù)。因此對于聚合物薄膜的自愈性能，一般通過分析其發(fā)生自愈時的自愈能量來描述其自愈性能。對于自愈能量的測量，Tortai 等人通過光測量法利用快速光電二極管測量自愈持續(xù)時間，但測量結(jié)果并不精確[9]。Sassoulas 等人通過人工引入電弱點進行自愈實驗，優(yōu)點是便于觀察自愈點的位置，提高自愈現(xiàn)象發(fā)生的概率，但與實際自愈過程存在差別[10]。根據(jù)上面的分析，自愈能量主要由發(fā)生自愈時的電壓電流以及自愈時間決定，因此本實驗中采用電測量法測量自愈能量。

搭建如圖1 所示的自愈能量測試電路，其中：Rc為保護電阻；C0為穩(wěn)壓電容；Cs為樣品膜電容；Rs為1 Ω 的采樣電阻，通過Rs上的電壓反映流經(jīng)樣品的電流。樣品采用兩張基本相同的金屬化膜上下疊放如圖2 所示。將兩張金屬化膜錯位疊放在一起，兩邊放上電極，則起到介電作用的是中間的公共區(qū)域。通過測量自愈發(fā)生時的電壓電流波形，積分得到自愈能量。

圖1 自愈能量測試電路Fig.1 Test circuit of self-healing energy

圖2 自愈測試平臺樣品薄膜放置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample film placement on self-healing test platform

自愈成功的經(jīng)典電壓電流波形如圖3 所示。當(dāng)金屬化膜發(fā)生自愈放電時，電弱點處形成放電通道，產(chǎn)生電弧，電壓開始降低同時電流急劇增大。當(dāng)功率密度降低達到臨界時，電弧難以維持逐漸熄滅[11]，電流開始降低同時電壓慢慢升高，基本恢復(fù)到之前的電壓水平，薄膜恢復(fù)絕緣能力。

圖3 自愈放電典型電壓電流波形Fig.3 Typical voltage and current waveform of self-healing discharge

2 金屬化膜特性表征

本文通過真空蒸鍍的方式，制備了金屬層厚度分別為70 nm、80 nm 和100 nm 的金屬化BOPP 和PET 薄膜，對薄膜的方阻、直流擊穿性能和自愈性能進行了測試。

2.1 薄膜方阻

方阻作為金屬化膜的重要參數(shù)，影響薄膜的通流能力與自愈性能，首先對不同金屬層厚度的介質(zhì)薄膜方阻進行了測量，不同金屬化膜的方阻見圖4。

圖4 方阻與電極厚度的關(guān)系Fig.4 Relationship between square resistance and electrode thickness

根據(jù)圖4 可知，同種電介質(zhì)薄膜的方阻隨著電極厚度的增加而下降，相同電極厚度下，不同電介質(zhì)薄膜表現(xiàn)出不同的方阻大小，BOPP 薄膜方阻要高于PET 薄膜。這種差異隨著電極厚度降低而愈發(fā)顯著。

方阻用于表征金屬鍍層的厚度，蒸鍍金屬層越薄方阻越大。而在同種金屬層厚度下，不同聚合物薄膜的方阻并不相同，這是因為當(dāng)金屬層厚度很低，并與介質(zhì)薄膜接觸時，整張金屬化膜的方阻就不再只與金屬電極厚度相關(guān)。Dong Q 等人的研究指出，當(dāng)金屬電極連續(xù)時，薄膜方阻與薄膜表面峰谷粗糙度有關(guān)，粗糙度越大，方阻越大。鋁原子蒸發(fā)后在聚合物表面成膜的過程中，成膜效果與聚合物的表面能有關(guān)，PET 薄膜表面能高于BOPP 薄膜，PET 薄膜的表面上鋁原子更容易形成成核點位，使得金屬電極更加光滑[12]。因此在相同金屬層厚度下，BOPP 薄膜的方阻高于PET 薄膜，隨著電極厚度增加，粗糙度影響效果降低，電極厚度影響更顯著，電極厚度越大，不同介質(zhì)薄膜的方阻差異性越低。

2.2 擊穿性能

對樣品進行擊穿測試，直流電壓下不同薄膜擊穿場強的Weibull 分布如圖5 所示。

圖5 不同金屬化膜擊穿場強Weibull分布Fig.5 Weibull distribution of breakdown strength for different metallized films

比較不同樣品的擊穿強度發(fā)現(xiàn)，不同金屬層厚度的金屬化膜，擊穿場強隨著電極厚度的降低而提高，耐壓能力也得到提升。相比基膜的70 nm、80 nm 和100 nm 電極的BOPP 薄膜的擊穿場強分別提高了6.52%、3.07%和1.62%，3 種電極厚度的PET 薄膜的擊穿場強也分別有6.09%、3.20%和1.81%的提高。

自愈放電時，金屬化膜通過蒸發(fā)電弱點附近金屬電極的方式，將電弱點電氣隔絕，提高薄膜的耐壓能力。在電弱點面積一定時，電極清除體積與電極厚度成正比，金屬層厚度低的薄膜需要更小的能量即可完成電弱點的隔離，自愈過程更容易成功。因此金屬層厚度低的薄膜表現(xiàn)出更高的電氣強度。

2.3 自愈性能

金屬化薄膜的自愈現(xiàn)象實質(zhì)是電弱點發(fā)生擊穿放電后被隔離清除的過程，由于聚合物薄膜在生產(chǎn)拉伸以及真空蒸鍍的過程中的隨機性，薄膜內(nèi)部存在耐壓能力不同的電弱點，因此金屬化膜會在不同的電壓等級下發(fā)生不同程度的自愈放電現(xiàn)象。實驗中設(shè)定樣品兩端的升壓速率為50 V/s，將不同厚度不同電介質(zhì)的聚合物薄膜按照圖2 所示擺放，金屬層的一面均朝上放置，電極分別放在上下兩張膜的邊緣金屬部分，以便模擬中間介質(zhì)層在上下都含有納米級金屬層時的情況。實驗中測量到部分自愈波形如圖6 所示，部分自愈形貌如圖7 所示。

圖6 自愈能量測試電壓電流波形Fig.6 Voltage and current waveform in the test of selfhealing energy

圖7 金屬化膜自愈形貌Fig.7 Self-healing morphology of metallized film

根據(jù)圖6 中的電壓電流波形所示，當(dāng)電弱點無法承受電壓，發(fā)生擊穿放電時，電壓迅速下降，同時電流提高到較大值，隨后電弧熄滅，電流下降接近零，絕緣恢復(fù)，整個自愈過程持續(xù)時間一般為數(shù)微秒。圖7 為某次自愈后顯微鏡下的自愈形貌，其中（a）為上層膜，（b）為下層膜?？梢钥吹?，由于放電通路的形成伴隨大量的熱效應(yīng)，上下層金屬化膜的金屬電極都有區(qū)域蒸發(fā)清除，上層介質(zhì)薄膜發(fā)揮絕緣作用承受電壓，電弱點位置形成明顯的放電通道。金屬化膜的自愈過程是一個帶有熱量傳遞的迅速放電過程，熱量的產(chǎn)生會導(dǎo)致金屬的蒸發(fā)和電介質(zhì)的化學(xué)變化等多種影響，在單次自愈過程中，金屬化膜會發(fā)生電介質(zhì)擊穿，電弧產(chǎn)生，電極蒸發(fā)等多個物理化學(xué)變化，這是一個具有隨機性的過程，每次自愈的電極清除形狀具有不確定性[7]。

為了分析金屬層厚度對薄膜自愈性能的影響，對每次自愈過程的電壓電流波形進行積分，計算得到單次自愈的自愈能量。由于電弱點耐壓能力不一致和金屬層厚度的不均勻，自愈現(xiàn)象的發(fā)生和自愈能量的大小具有隨機性，將不同電壓下觀察的多次自愈現(xiàn)象和計算的自愈能量進行統(tǒng)計得到結(jié)果見圖8。

圖8 金屬化膜自愈能量分布Fig.8 Self-healing energy distribution of metallized film

根據(jù)圖8 自愈能量的分布可以發(fā)現(xiàn)，首先對于單張金屬化膜，單次自愈能量與自愈電壓正相關(guān)，表現(xiàn)為散點圖中樣品電壓越高，自愈能量越向更高值集中，即電壓等級越高，自愈能量均值越高。其次對于同種聚合物薄膜，金屬層厚度越大，自愈能量越大。由于不同薄膜發(fā)生自愈放電概率較大的電壓值不同，因此分別關(guān)注BOPP 薄膜在3.3 kV 左右以及PET 薄膜在2.3 kV 左右的自愈能量分散點（如散點圖中黑色方框內(nèi)的點）。同種聚合物金屬化膜在相同的電壓等級下，金屬層越厚，方阻越低的薄膜，自愈能量越向高數(shù)值分布，平均值越大。

自愈過程釋放的能量主要用于蒸發(fā)電弱點附近的金屬電極，因此金屬化膜單次自愈的能量大小與電弱點的形狀和大小、金屬電極的厚度有關(guān)。在不考慮壓強和溫度的影響下，相同電弱點大小時方阻越低的金屬化膜需要清除更多的金屬電極，而電壓等級提高時，電弱點的數(shù)量和面積也會隨之增加，因此需要更高的自愈能量。金屬化膜卷繞成電容器后，自愈能量過高時容易造成多層膜的燒結(jié)導(dǎo)致自愈失敗，絕緣無法恢復(fù)[13]，因此目前實際的金屬化膜電容器也經(jīng)常采用增大薄膜方阻即減小電極厚度的方法降低電容器的自愈能量，提高電容器在高場強下的工作可靠性。但是金屬化膜發(fā)方阻過高時，電容器的熱效應(yīng)會更嚴(yán)重，加速電容器的熱老化損傷[14-17]，因此根據(jù)金屬化膜制備電容器時需要確定合適的方阻范圍。

除了比較便于辨認(rèn)觀察的較為理想的單張聚合物薄膜單次自愈的電壓電流波形外，實驗中還觀察到如圖9 所示的自愈放電波形。這種自愈波形的特點是，在前一次發(fā)生自愈放電后，電流逐漸歸零，電壓逐漸恢復(fù)的過程中，再次出現(xiàn)電流的增大和電壓的降低現(xiàn)象，經(jīng)過一次或多次重復(fù)之后最終電壓恢復(fù)為工作電壓，絕緣重新恢復(fù)。在一次長時間電流較大的過程中，會出現(xiàn)幾次電流的局部尖峰，與單次自愈比較類似，這種現(xiàn)象稱為薄膜的連續(xù)自愈現(xiàn)象。Belko，V.等人在對PP 和PET 電容器進行自愈實驗時也觀測到類似的現(xiàn)象，并根據(jù)電流峰出現(xiàn)的次數(shù)分為單次自愈、重復(fù)自愈以及多次自愈[18]。

圖9 連續(xù)自愈波形圖Fig.9 Waveform of continuous self-healing process

發(fā)生連續(xù)自愈有多種原因，一方面，薄膜內(nèi)部存在多個電弱點，其中可能存在擊穿電壓相近的薄弱點，當(dāng)薄膜承受的電壓達到一定程度時，可能會存在多個電弱點發(fā)生幾乎同步的自愈現(xiàn)象，由于自愈放電的持續(xù)時間為微秒級，因此測量樣品的電流波形可能出現(xiàn)第1 次自愈未結(jié)束便發(fā)生第2 次自愈的情況。另一方面，當(dāng)某個電弱點發(fā)生自愈放電時，周圍大量電荷會向電弱點涌入，造成周圍出現(xiàn)較大的電流密度，在較大電流和溫度升高的情況下，可能導(dǎo)致電弱點附近薄弱的位置發(fā)生自愈放電，表現(xiàn)為電流未下降到零便重新升高以及薄膜電極清除部分連接，如圖9 所示。多次自愈不僅會導(dǎo)致電極面積進一步的減少，更嚴(yán)重的可能發(fā)生同一位置上下層的聚合物薄膜擊穿形成通道，導(dǎo)致電容器內(nèi)部的燒結(jié)以及喪失絕緣能力。因此目前也有通過設(shè)計安全膜，將金屬電極分塊的做法避免電弱點附近的多次自愈，以提高電容器的使用可靠性[19-21]。

3 結(jié)語

本文針對干式電容器用金屬化膜，研究了金屬層厚度對薄膜擊穿特性和自愈特性的影響，結(jié)論如下：

1）金屬化膜電極越薄，方阻越高，同種電介質(zhì)薄膜的擊穿場強越高。高方阻金屬化膜的電極更容易在自愈時清除完全，自愈失敗或薄膜貫穿碳化的概率降低，介質(zhì)薄膜更能夠工作在極限工作場強下；

2）高方阻薄膜在一定的電壓等級下具有更低的自愈能量，而電壓等級越高，薄膜的自愈能量也會越大。電極更薄，方阻更高的金屬化膜在高場強下的自愈能量更低，自愈過程更容易成功，電容器在高電壓下的工作穩(wěn)定性也會得到提升。在設(shè)計金屬化膜參數(shù)結(jié)構(gòu)時也要考慮連續(xù)自愈的現(xiàn)象，避免發(fā)生自愈失敗或電容量的大幅降低，減少電容器使用壽命。