脈沖功率電容器的應(yīng)用和發(fā)展

周水杉，章 莉

?

脈沖功率電容器的應(yīng)用和發(fā)展

周水杉1，章 莉2

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所，河北 石家莊 050051；2. 成都宏明電子股份有限公司，四川 成都 610051）

介紹了國內(nèi)外脈沖功率電容器的應(yīng)用和研制現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了高儲(chǔ)能密度電容器介質(zhì)材料和脈沖功率電容器的性能參數(shù)，指出了今后需要解決的主要問題，總結(jié)了脈沖功率電容器的發(fā)展趨勢，提出了發(fā)展我國脈沖功率電容器的建議。

脈沖功率電容器；高儲(chǔ)能密度；綜述；電介質(zhì)材料；脈沖參數(shù)；發(fā)展建議

新概念電磁武器和脈沖功率技術(shù)密切相關(guān)。脈沖功率技術(shù)以電能為基礎(chǔ)，通過對電源能量在時(shí)間和空間上進(jìn)行壓縮，并在特定負(fù)載上快速釋放，獲得極高的脈沖功率輸出。脈沖功率電容器是新概念電磁武器包括電磁脈沖武器（微波高功率電磁脈沖武器、強(qiáng)激光武器和粒子束武器）和電磁動(dòng)能武器（電磁軌道炮、航母飛機(jī)電磁彈射器EMALS、衛(wèi)星變軌、火箭增程）等的脈沖功率電源的關(guān)鍵件[1-2]），也是激光激發(fā)核聚變系統(tǒng)的基礎(chǔ)件[3]。不同應(yīng)用要求的脈沖寬度見表1。

表1 不同應(yīng)用要求的脈沖寬度

Tab.1 The pulse widths of the different applications

美國目前每門電磁軌道炮需儲(chǔ)能電容器約18 t，儲(chǔ)能32 MJ。據(jù)CCTV于2010年12月14日新聞報(bào)道：美國海軍宣布成功試射電磁軌道炮，炮彈速度達(dá)6~7.5倍音速(2~2.5 km/s)，6~7 s射程達(dá)110海里(約200 km)。GA公司在3 MJ原形能源模塊(由12個(gè)255 kJ電容器構(gòu)成)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，已經(jīng)研制成功車載移動(dòng)、陸基固定式（液體冷卻、重復(fù)點(diǎn)火）和艦載三種電磁軌道炮[4]。

美軍每艘航母約需70 t儲(chǔ)能電容器，彈射時(shí)間峰值功率達(dá)122 MW。EMALS系統(tǒng)包括啟動(dòng)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組件、儲(chǔ)能子系統(tǒng)、電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、彈射控制系統(tǒng)和配電傳輸系統(tǒng)。GA的核心技術(shù)是大量脈沖功率電容器的接力式放電的精確控制，構(gòu)成大型脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)。GA的EMALS系統(tǒng)已裝備福特號(hào)核動(dòng)力航母，2022年將裝備肯尼迪號(hào)航母[4]。

美國NIF（國家點(diǎn)火設(shè)施）于2004年完成。每個(gè)電容器電容量為299 μF，工作電壓24 kV，工作溫度10~40℃，儲(chǔ)能密度0.84 J/cm3，儲(chǔ)能86.1 kJ，放電電流30 kA（極限電流95 kA），放電壽命為26 kV，100次或24 kV，2萬次，反向電壓10%（極限反向電壓65%），等效串聯(lián)電阻ESR≤25 mΩ（100 Hz）、ESR≤8 mΩ（4 kHz）。電容器串聯(lián)諧振頻率s=20 kHz，等效串聯(lián)電感ESL=183~199 nH，NIF由1 200個(gè)電容器組成，總能量103.3 MJ。

我國ICF（慣性約束核聚變）點(diǎn)火工程已列為國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃十六項(xiàng)重大專項(xiàng)之一。中國工程物理研究院研究成功的神光3號(hào)[3]，由108套1.2 MJ能源模塊組成，分成兩個(gè)能庫，1.2 MJ能源模塊采用34臺(tái)脈沖功率薄膜電容器（25 kV，10 kA，110 μF，30.4 kJ，0.5 J/cm3）組成，總儲(chǔ)能110 MJ，脈沖放電寬度610 μs，放電電流250 kA。據(jù)中國科學(xué)報(bào)2014年10月19日報(bào)道，中國工程物理研究院研究成功的Z箍縮超高功率脈沖強(qiáng)流加速器-聚龍一號(hào)，直徑約33 m，高度近7 m，它由儲(chǔ)能系統(tǒng)、脈沖形成與傳輸系統(tǒng)、電流匯聚系統(tǒng)、物理負(fù)載系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等組成，采用144臺(tái)脈沖功率電容器、720個(gè)場畸變開關(guān)、24臺(tái)激光觸發(fā)氣體開關(guān)、12臺(tái)高性能激光器，裝置輸出了9×106A峰值電流，電流脈沖上升時(shí)間小于1 ns，國內(nèi)首次獲得軟X射線輻射能量達(dá)590 kJ，成為我國超高脈沖功率技術(shù)發(fā)展的又一里程碑。

新概念電磁武器用儲(chǔ)能電容器不是超級(jí)電容器，也不是電池，而是脈沖高功率（3~40 kV，3~150 kA），毫秒、微秒或亞微秒級(jí)快放電“脈沖功率電容器”。低電壓(3 V)超級(jí)電容器要數(shù)千只串聯(lián)才能達(dá)到3 kV以上，等效串聯(lián)電阻和串聯(lián)電感太大，難以脈沖快放電。電池也不能用于脈沖快放電。

1 脈沖功率電容器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)GA公司報(bào)道，在美國國防部和能源部合同支持下，GA公司與陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、海軍研究辦公室、美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、國家原子能機(jī)構(gòu)和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室合作，過去十年脈沖功率電容器技術(shù)有了長足進(jìn)步，已經(jīng)研制成功電磁軌道炮、航母飛機(jī)彈射用脈沖功率有機(jī)薄膜電容器。在提高儲(chǔ)能密度方面：1999年達(dá)0.7 J/cm3，2004年達(dá)1 J/cm3，2008年達(dá)2 J/cm3，2010年達(dá)3 J/cm3。

毫秒級(jí)放電電容器現(xiàn)狀見表2。GA公司高儲(chǔ)能密度電容器水平（CMX型）見表3。GA公司網(wǎng)站最新產(chǎn)品目錄有3283CMX2640、3565CMX2160、4113CMX3400三個(gè)型號(hào)，儲(chǔ)能密度均為2 J/cm3，儲(chǔ)能255 kJ，質(zhì)量140 kg，尺寸為343 mm×406 mm×914 mm，充放電壽命5萬次。

表2 毫秒級(jí)放電電容器發(fā)展史

Tab.2 History of millisecond discharge capacitor

表3 GA公司高儲(chǔ)能密度電容器水平（CMX型）

Tab.3 Performance of GA high energy density capacitor (CMX)

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院楊蘭均等最早研制成功儲(chǔ)能密度1.3 J/ cm3脈沖功率電容器（452.8 μF，10.2 kV）。華中科技大學(xué)林福昌等最近在實(shí)驗(yàn)室研制出儲(chǔ)能密度2.7 J/cm3，放電壽命大于1 000次以及儲(chǔ)能密度2.2 J/cm3，放電壽命大于2 000次的脈沖功率電容器。上海上電電容器廠2008年研制成功儲(chǔ)能50 kJ、儲(chǔ)能密度達(dá)2 J/cm3高比能脈沖電容器（7.12 kV，1 975 μF或10.68 kV，876 μF）；2015年研制成功儲(chǔ)能100 kJ、10 kV、儲(chǔ)能密度達(dá)2 J/cm3高比能脈沖電容器（充電15~90 s，保持0~10 s，放電壽命達(dá)1 000~ 5 000次）。成都宏明電子股份有限公司和銅峰電子公司也開展了脈沖功率電容器的大量研制工作。

2 高儲(chǔ)能密度電容器介質(zhì)材料的進(jìn)展

儲(chǔ)能密度的計(jì)算公式為：

(J/cm3) = 4.44×10–6×PF×r×2（1）

式中：r為相對介電常數(shù)；為場強(qiáng)V/μm；PF為儲(chǔ)能電容器總的體積封裝因子，主要取決于電壓和峰值電流，對毫秒級(jí)放電電容、工作電壓≤5 kV，可取70%~80%，而對微秒級(jí)放電應(yīng)取小于50%；的典型值為500~800 V/μm。安全膜電容器短壽命（1 000次）設(shè)計(jì)，可采用90%的擊穿電壓。對長壽命、高可靠或高穩(wěn)定的要求，則應(yīng)顯著減少場強(qiáng)。提高儲(chǔ)能密度主要是提高介質(zhì)場強(qiáng)，相應(yīng)要求聚合物薄膜有更高的樹脂純度（如控制相態(tài)和分子量分布，提高純度、結(jié)晶度和等規(guī)度，電子級(jí)PP膜要求脫灰等），減少金屬化電極在每次自愈中的損害，工藝最佳化以保證薄膜層間無氣隙，充分考慮充放電過程的熱效應(yīng)（降低ESR、ESL），改進(jìn)結(jié)構(gòu)和噴金工藝，降低端接觸電阻等。

目前主要有以下材料體系：

2.1 聚合物介電薄膜

2.1.1 基于線性的耐高壓聚合物介電薄膜

此類材料r不高，耐電強(qiáng)度b較高（可達(dá)500~800 V/μm），如BOPP雙向拉伸聚丙烯薄膜，其r=2.2，密度0.905 g/cm3，包括金屬化電極或安全膜電極，浸漬和干式等多種結(jié)構(gòu)，可以滿足電容儲(chǔ)能密度3 J/cm3以下的要求。又如DUPONT公司開發(fā)的高壓聚萘脂Teonex，r=2.9，b= 400~500 V/μm，工作溫度可達(dá)155℃；GE公司開發(fā)的PEI聚醚酰亞胺r=3.4，b= 670 V/μm，電容儲(chǔ)能密度可達(dá)4 J/cm3。目前常用薄膜電容器介質(zhì)材料主要性能見表4。

表4 常用薄膜電容器介質(zhì)材料主要性能

Tab.4 Properties of dielectric materials used in thin film capacitors

目前國際最高水平的MOPP金屬化聚丙稀薄膜（耐溫105℃）供應(yīng)鏈為：芬蘭BOREALIS TECH OY有限公司PP聚丙稀原料→奧地利BOREALIS AG公司 HB300BF高等規(guī)度條料→德國Treofan Germany Gmbh& Co.KG公司PHD型820 V/μm的BOPP光膜→德國Steinerfilm公司700 V/μm的MOPP金屬化薄膜，最薄的金屬化聚丙稀薄膜為1.9 μm。

2.1.2 用低損耗聚合物改性的鐵電高介聚合物

如基于PVDF的多元氟基高分子材料。美國國防部合同支持的賓州戰(zhàn)略高分子科學(xué)公司和賓州大學(xué)材料學(xué)院合作，章啟明等研制出高能輻照PVDF-TrFE (摩爾比75:25)共聚物和PVDF-TrFE- CFE /CuPc(摩爾比58.3:34.2:7.5)三元共聚物，r分別達(dá)16，25，39，46~53，b達(dá)400~632 V/μm，tan≤0.08，滿足電容儲(chǔ)能密度9~25 J/cm3，共聚物密度2.2 g/cm3[5]。

2.1.3 有機(jī)金屬聚合物

如酞氰銅系高分子材料。美國海軍實(shí)驗(yàn)室支持的美國密歇根大學(xué)理查德·伯恩斯坦學(xué)院研制成功的有HBCu-Pc，r= 45.8~46.3，b=260 V/μm；HBCuPc-TPA- CN，r=11；HBCu-Pc /PMA，r=15，tan=0.002[6]。后兩個(gè)材料體系用熔融擠壓雙向拉伸成2~10 μm薄膜，在實(shí)驗(yàn)室已做出電容儲(chǔ)能密度10 J/cm3的電容器。

2.1.4 紙膜復(fù)合

膜材為帶氰基、氟基的硅氧烷聚合物與納米鈦酸鋇陶瓷復(fù)合。1992年美國國防部導(dǎo)彈防御局（Missile Defense Agency）根據(jù)小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃（SBIR）向美國TPL公司提供1000萬美元研究經(jīng)費(fèi)，用于開發(fā)高儲(chǔ)能密度電容器。TPL公司2001年7月24日申請美國專利US6265058，復(fù)合材料測試性能為：r=9.3，tan=0.03，b= 374 V/μm，絕緣電阻率為1014Ω·cm，電容儲(chǔ)能密度可達(dá)4 J/cm3，比PVDF提高近1倍。

2.1.5 氣相沉積復(fù)合薄膜

俄羅斯提出用CVD或微波等離子方法制備的金剛石薄膜r=3.5~5.8，b=1 000 V/μm，且有高導(dǎo)熱系數(shù)206 W/mK，低溫度系數(shù)1×10–6/K，電容儲(chǔ)能密度可達(dá)12 J/cm3，但成本較高，因此建議在高分子薄膜表面氣相沉積一層金剛石薄膜，形成復(fù)合薄膜，以改善脈沖功率電容器的散熱特性[7]。

2.2 介電陶瓷

2.2.1 反鐵電陶瓷

Pb0.97La0.02(Zr0.95Ti0.05)O3系統(tǒng)MLCC工藝，r= 200~500，b=20~50 V/μm，電容儲(chǔ)能密度可達(dá)4~12.4 J/cm3，通常工作電壓≤3 kV，放電次數(shù)≤3 000次，適合脈沖點(diǎn)火用[8]。美國Novacap公司早已生產(chǎn)基于反鐵電陶瓷的脈沖點(diǎn)火電容器及其組件，但近年因故已將產(chǎn)品目錄刪除。中國專利CN 102432291B介紹了宏明電子科大新材料公司“一種反鐵電陶瓷電容材料及其制作方法”，CP41L-7860-1250V-104K型脈沖儲(chǔ)能電容器，密度7 g/cm3，介質(zhì)損耗為0.12%，放電電流1 300 A，放電次數(shù)1 500 次以上。

2.2.2 交流高壓低損耗Ⅰ類瓷

該類介電陶瓷器件性能參數(shù)為：r=410~560，b≥40 V/μm，tan≤0.005，尺寸14.7 mm×17.3 mm×5 mm，約60層，電容量0.8 μF，工作電壓1 500 V，3只并聯(lián)，放電電流達(dá)2.3 kA，福建火炬電子公司已經(jīng)投產(chǎn)，其電容儲(chǔ)能密度小于1 J/cm3[9]。

2.2.3 氮化氧鋁（AlON）

由N2和O2反應(yīng)濺射形成500 nm薄膜，其r=8~9（20 Hz ~ 1 MHz），tan≈0.003，b=600 V/μm，采用鋁電極10~50 nm，7層，電容量1.2×10–9F/mm2，工作溫度范圍可達(dá)–200~+400℃，電容儲(chǔ)能密度可達(dá)14.1 J/cm3[10]。

2.2.4 高介陶瓷

包括晶界層半導(dǎo)體陶瓷：Nb2O5改性SrTiO3，清華大學(xué)專利號(hào)CN 94104452.1和CN1063732C，r=1.9×104~9.7×104，tan= 0.8%~1.9%，工作電壓50~100 V，如果實(shí)現(xiàn)MLCC工藝，可實(shí)現(xiàn)大容量、小體積；鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CCTO（CaCu3Ti4O12）巨介電陶瓷材料和LSNO (La2?xSrNiO4)，其r=104~105，tan≈0.03，特別是在很寬的溫區(qū)范圍內(nèi)（100~400 K）介電常數(shù)值幾乎不變；澳洲國立大學(xué)劉云等研究了NbAl復(fù)合摻雜TiO2，即Ti0.995(NbAl)0.005O2，形成表面層半導(dǎo)體陶瓷（SBLC），r＞104，但高介陶瓷通常損耗較大，耐電壓≤16 V，可靠性較差，未見用于脈沖儲(chǔ)能電容器的報(bào)道。

2.3 超薄玻璃電介質(zhì)

美國賓州大學(xué)測試了德國Schott Technologies公司生產(chǎn)的AF-45超薄(18 μm)無堿玻璃（63%SiO2-12%BaO-16%B2O3-9%Al2O3），其r=6.2，b=1 200 V/μm，tan=0.000 9，電容器溫度系數(shù)(CTE)為4.5×10–6/K，耐高溫（可達(dá)200℃），抗輻照（玻璃電容器抗核輻射能力可達(dá)1016Flux/cm2，比陶瓷電容器高10倍，比有機(jī)薄膜電容器高100倍，比電解電容器高500倍），電容儲(chǔ)能密度可達(dá)35 J/cm3[11]。美國康寧公司已可生產(chǎn)超薄柔性玻璃。有報(bào)道采用多層銅電極的玻璃電容器平板組成電子設(shè)備的外殼，用作系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元。

3 脈沖功率電容器的參數(shù)

常規(guī)參數(shù)：電容量、電容器損耗tan、絕緣電阻IR、額定工作電壓R(DC/AC)、RMS(交流有效值）；

脈沖參數(shù)：總儲(chǔ)能= 1/22；儲(chǔ)能密度(J/cm3、J/g)；充放電時(shí)間（ms、μs、ns），充放電波形（正向、反向），充放電壽命（電壓步進(jìn)充放電壽命；固定電壓充放電壽命）；ESR、ESL；放電峰值電流PP=d/d，放電速率d/d，d/d；發(fā)熱溫升Δ；保險(xiǎn)因子2（熔斷電流與熔斷時(shí)間），單位J/Ω。

對脈沖功率電容器的設(shè)計(jì)和工藝應(yīng)重點(diǎn)瞄準(zhǔn)脈沖參數(shù)進(jìn)行，特別應(yīng)深入開展充放電壽命的研究[7,12-15]。GA公司對脈沖功率電容器的設(shè)計(jì)和充放電壽命進(jìn)行了系統(tǒng)研究。如研制的毫秒級(jí)放電電容器CMX型工作在3 J/cm3，充放電壽命為1 000次，降額為2.4 J/cm3使用，則壽命延長10倍為1萬次；降額為2 J/cm3使用，則壽命再延長5倍為5萬次；如降額為1 J/cm3，則壽命又提高200倍，達(dá)1 000萬次。如將電容器放在液氮溫度下工作，充放電壽命可增至7倍。GA-ESI公司的前身MAXWELL實(shí)驗(yàn)室脈沖電容器充放電壽命5要素：充電電壓下降1/2，充放電壽命增加109倍；反峰電壓下降20%，充放電壽命是80%的100倍；工作溫度上升4.5度，充放電壽命下降1/2；重復(fù)頻率提高10倍，充放電壽命下降到1/250；震蕩頻率由40 kHz下降到10 kHz，充放電壽命增加1.7倍。

4 面臨問題

比較聚合物介電薄膜、介電陶瓷和超薄玻璃電介質(zhì)，由于聚合物介電薄膜有較高的耐電強(qiáng)度，便于大面積拉成超薄薄膜，適應(yīng)自動(dòng)化卷繞工藝，金屬化安全薄膜電容器可提供較高的能量密度或給定能量密度下最長的充放電壽命，安全膜允許工作于略低于介質(zhì)的擊穿電壓下，因此大大提高了體積利用率，同時(shí)大幅度降低了電容器的成本；利用金屬化薄膜的自愈特性，用適度的脈沖放電可篩選出金屬化層缺陷導(dǎo)致的早期失效，從而使電容器可靠性大大提高。特別是從性價(jià)比、密度（0.905 g/cm3）對比，MOPP金屬化薄膜仍然是滿足電容儲(chǔ)能密度3 J/cm3以下要求的優(yōu)選方案，也是研制新聚合物性能評估的參考基準(zhǔn)。

問題一是新型基于PVDF的多元氟基高分子材料的學(xué)術(shù)成果能否工程化？由于只注意提高r和b，但介質(zhì)損耗tan大（>0.01），絕緣電阻IR低，頻率特性較差，充放電能量損失大（>50%），難以工程化。

問題二是國內(nèi)脈沖功率電容器研制和生產(chǎn)工藝結(jié)合不佳，未建立先進(jìn)的設(shè)計(jì)平臺(tái)、工藝平臺(tái)、測試平臺(tái)和應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)，特別是脈沖功率電容器的脈沖參數(shù)研究不深，導(dǎo)致國內(nèi)脈沖功率電容器的水平至今落后國際水平5年以上。

問題三是國內(nèi)脈沖功率電容器研制和整機(jī)應(yīng)用結(jié)合不深，一方面由于國內(nèi)脈沖功率電容器研制滯后，使新工程難以啟動(dòng)立項(xiàng)；另一方面由于整機(jī)試驗(yàn)滯后，整機(jī)單位難以提出科學(xué)合理的脈沖功率電容器的指標(biāo)，因此不能獲得最優(yōu)化的脈沖功率形成網(wǎng)絡(luò)（儲(chǔ)能單元）的整體解決方案。

5 發(fā)展趨勢和建議

2010年美國國防先期研究計(jì)劃局（DARPA)國防科學(xué)辦公室（DSO）戰(zhàn)略計(jì)劃項(xiàng)目安排了“集成式高能量密度電容器”，鑒于高功率系統(tǒng)中無源元件占數(shù)量和質(zhì)量40%~50%，要求利用多種創(chuàng)新方法改進(jìn)電介質(zhì)材料，開發(fā)研制200℃，20 J/cm3電容器及材料，實(shí)現(xiàn)與電力電子器件和傳感器集成。可以看出，脈沖功率電容器將向高溫、高壓、高儲(chǔ)能密度、高充放電壽命和集成化方向發(fā)展。

一方面，MOPP金屬化薄膜電容器可進(jìn)一步改進(jìn)。美國提出用氟化二丙稀酸0.1 μm表面處理PP薄膜可使80℃，75V/μm，500 h電容量變化率Δ/從11%降低到1.5%，顯著提高充放電壽命；英國1997年提出邊卷繞、邊涂復(fù)浸漬的方法，可提高耐電壓[7]；王喜成高工采用中科院長春應(yīng)用化學(xué)所等提供的純度99.6%以上的氣相沉積高分子材料，如果在BOPP表面涂覆0.1 μm薄膜，可望改善脈沖功率電容器的耐壓特性[16]。華威聚酰亞胺有限責(zé)任公司采用紫外輻照交聯(lián)，可使155℃，縱向收縮<2%，橫向收縮<0.1%，b>500 V/μm，聚丙烯電容膜最高使用溫度>130℃[17]）。余維清等[18]采用2 g/10 min的熔體流動(dòng)指數(shù)（MFI)在高于所述半結(jié)晶PP聚合物熔點(diǎn)163℃的模頭溫度225℃下，使用115或200的拉縮比(模頭間隙與膜厚之比)制造4~12 μm的HTLS-PP膜，在165℃，30 min下收縮率為零，而常規(guī)BOPP膜在165℃，30 min下收縮70%，105℃下才能保證尺寸穩(wěn)定性。中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所通過在聚丙烯分子鏈上接枝反應(yīng)型受阻胺類穩(wěn)定劑，可以提高抗輻照老化特性[19]。使用超薄的金屬化聚丙烯薄膜，可以在相同體積下增加并聯(lián)電容器芯子數(shù)量，從而顯著降低ESR和ESL，改善脈沖功率電容器的性能。

第(Ⅰ)問需要考生對三角形的內(nèi)角∠B進(jìn)行分類討論，利用正弦定理、同角三角函數(shù)基本關(guān)系、結(jié)合三個(gè)內(nèi)角的關(guān)系得到結(jié)論．第(Ⅱ)問討論三角形的邊與邊的關(guān)系，題目給出了兩邊及其一邊的對角，一般情況下這樣的條件不能確定一個(gè)三角形，但是此處蘊(yùn)含的邊角關(guān)系恰好可以唯一確定滿足條件的三角形，這需要學(xué)生熟練運(yùn)用正弦定理、三角形的邊、角關(guān)系解三角形，較好地理解三角形的性質(zhì)，具有解三角形時(shí)根據(jù)條件判斷所得解是否符合題意的意識(shí)．若考生能夠通過邊的關(guān)系推知△ABC為直角三角形，也可通過解直角三角形的方法從而完成該題的解答．這也正是考查考生數(shù)學(xué)思維、數(shù)學(xué)能力和素養(yǎng)的反映．

另外，可從新電介質(zhì)材料研制著手，進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。包括介電薄膜極化機(jī)理、分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程化可能性等的創(chuàng)新。選擇科學(xué)的階段性目標(biāo)，例如r=5~9而不是大于10，盡量提高b和IR，降低tan，以便取得工程化的成果。西安交通大學(xué)張志成教授等[20]研制高儲(chǔ)能密度聚偏氟乙烯基接枝改性聚合物已取得進(jìn)展。電子科技大學(xué)劉孝波教授等[21]研制聚芳醚腈和超支化酞菁銅復(fù)合薄膜，也已取得進(jìn)展。電子科技大學(xué)徐建華教授課題組[22]在氟基聚合物和多省并醌自由基聚合物（PAQR）等新型電介質(zhì)材料以及電子離域極化機(jī)理研究等方面也取得了一定進(jìn)展。

三是開發(fā)脈沖功率電容器在工業(yè)、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域的新應(yīng)用。如目前世界油氣資源采收率為30%左右。采用重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波新技術(shù)，通過爆震去堵，可提高油氣資源采收率。西安貫通能源科技公司大功率高聚能電脈沖裝置，已經(jīng)修井1 000多口，能夠恢復(fù)或增加產(chǎn)量，有效率達(dá)70%。美國鉆井采用中國研制的同軸型電容器60 mm×2 000 mm，12 kV，14 μF，10 kA，10 s充一次，放一次，360次/h，放電壽命要求4萬次，試驗(yàn)已超過10萬次[23]。又如AVX公司網(wǎng)站介紹DISFIM型電容器，用于能源儲(chǔ)存與放電應(yīng)用，基于可控的自愈技術(shù)，最大儲(chǔ)能150 kJ，儲(chǔ)能密度2 J/cm3，ESL=50~500 nH，充放電壽命為數(shù)千萬次。

建議學(xué)習(xí)美國以專業(yè)電容器公司為龍頭，產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合，整合國內(nèi)優(yōu)勢資源，組成國家隊(duì)，抓好全產(chǎn)業(yè)鏈（聚合物研制、薄膜制備、金屬化、電容器研制、儲(chǔ)能單元研制、應(yīng)用研究）的系統(tǒng)創(chuàng)新工程，加快我國脈沖功率電容器和脈沖功率形成網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，滿足工程配套。

[1] 王瑩. 脈沖功率科學(xué)與技術(shù)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2010.

[2] 張明元, 馬偉明, 汪光森, 等. 飛機(jī)電磁彈射系統(tǒng)發(fā)展綜述 [J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2013, 35(10): 1-5.

[3] 齊珍, 陳德懷, 賴貴友, 等. 神光-Ⅲ主機(jī)裝置MJ級(jí)能源系統(tǒng)研制現(xiàn)狀[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2014, 26(5): 4-9.

[4] MACDOUGALL F, ENNIS J, YANG X H, et al. High energy density capacitors for pulsed power applications [C]// Pulsed Power Conference, 2009. PPC '09. New York: IEEE, 2009: 774-778.

[5] ZHANG S, CHU B, XIN X, et al. High energy density polymer dielectrics for capacitor applications [J]. Carts, 2007(1): 141-150.

[6] THEODORE GOODSON. Novel Development of Energy Storage Device: High Energy Density Capacitors [R]. Ann Arbor: University of Michigan, 2009.

[7] 徐智安. 高儲(chǔ)能密度脈沖電容器的理論模型與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2002.

[8] CHAUHAN A, PATEL S, VAISH R, et al. Anti-ferroelectric ceramics for high energy density capacitors [J]. Materials, 2015, 8(12): 8009-8031.

[9] 王喜成. 一種薄膜電容器及其制作方法: 中國, CN1321993A [P]. 2000-08-12.

[10] BRAY K R, WU R L C, FRIES-CARR S, et al. Aluminum oxynitride dielectrics for multilayer capacitors with higher energy density and wide temperature properties[J]. Thin Solid Films, 2009, 518(1): 366-371.

[11] SMITH N J, RANGARAJAN B, LANAGAN M T, et al. Alkali -free glass as high energy density dielectric material [J]. Mater Lett, 2009, 63(15): 1245-1248.

[12] 陳耀紅. 高儲(chǔ)能密度金屬化膜電容器應(yīng)用性能及其影響因素研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2013.

[13] 彭波. 金屬化膜電容器自愈關(guān)鍵參數(shù)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2010.

[14] 李化, 黃想, 林福昌, 等. 重復(fù)頻率脈沖下的金屬化膜電容器的壽命測試系統(tǒng)及方法: 中國, CN105137246A [P]. 2015-09-21.

[15] 孫權(quán). 神光Ⅲ慣性約束聚變激光裝置可靠性研究[D]. 長沙: 國防科技大學(xué), 2005.

[16] 吳金劍, 黃祥賢, 林志盛, 等. 一種線性高壓低損耗電容器陶瓷材料及其制備方法: 中國, CN104609852A [P]. 2015-01-06.

[17] 黃渝鴻. 一種耐高溫雙向拉伸聚丙烯電容膜及其制造方法: 中國, CN103448254A [P]. 2013-08-30.

[18] 余維清, 余杰圣. 包括熔體拉伸膜作為電介質(zhì)的膜電容器: 中國, CN102723196A [P]. 2011-07-12.

[19] 李敏, 殷敬華, 欒世方. 一種抗輻照老化聚丙烯的制備方法: 中國, CN101602872A [P]. 2009-07-06.

[20] 張志成, 李俊杰. 高儲(chǔ)能密度聚偏氟乙烯基接枝改性聚合物的制備方法: 中國, CN 103387642B [P]. 2013-07-12.

[21] 鐘家春, 余興江, 劉孝波, 等. 聚芳醚腈/超支化酞菁銅復(fù)合薄膜: 中國, CN 101717569A [P]. 2009-11-27.

[22] 徐建華, 蔣亞東. 一種制造有機(jī)復(fù)合介電薄膜的方法: 中國, CN103289113A [P]. 2013-06-14.

[23] 王海. 高壓脈沖放電電容器及其制作方法: 中國, CN104008882A [P]. 2013-02-22.

（編輯：陳豐）

Aplication and development of pulse power capacitors

ZHOU Shuishan1, ZHANG Li2

(1. CETC No.13th Research Institute, Shijiazhuang 050051, China; 2. Hongming Electronics Co., Ltd, Chengdu 610051, China)

The application and development status of pulse power capacitors at home and abroad are introduced. Dielectric material of the high energy density capacitor and the performance parameters of the pulse power capacitors are mainly discussed. The main problems needed to be solved are pointed out, and the development trends of the pulse power capacitors are summarized. Suggestions on the development of pulse power capacitors in China are also gived.

pulse power capacitors; high energy density; review; dielectric materials; pulse parameters; development suggestions

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.020

TM531.2

A

1001-2028（2016）11-0098-05

2016-09-30

周水杉

周水杉（1961－），男，河北邯鄲人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄔ骷?、電子陶瓷及高端傳感? E-mail:lxqing9725@sina.com；

章莉（1970－），女，江蘇無錫人，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，主要研究方向?yàn)樾滦碗娮釉c組件，E-mail:maryli11@sina.com。

2016-10-28 14:14:29

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1414.020.html