CN111899978A - 高直流介电强度金属化膜及其制备方法、电容器芯子 - Google Patents
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Abstract
高直流介电强度金属化膜及其制备方法、电容器芯子，包括聚丙烯薄膜层，所述聚丙烯薄膜层的表面设有多个基底金属化铝层，多个所述基底金属化铝层相互间隔设置，所述基底金属化铝层之间的间隔区域为无金属中间屏蔽区；所述基底金属化铝层的边缘处与聚丙烯薄膜层之间留有无金属边缘留边区，所述金属化锌加厚层包括边缘金属锌加厚层、中间金属化锌加厚层；S1、调节真空度：S2、放卷：S3、油屏蔽：S3、蒸镀：S4、收卷成型：本发明该薄膜的直流介电强度可以达到550V/μm以上，制成的大脉冲直流电容器工作电压高，储能密度大，体积小。
Description
技术领域
本发明属于电容器技术领域，特别涉及高直流介电强度金属化膜及其制备方法、电容器芯子。
背景技术
金属化膜电容器是以有机薄膜作为电介质，金属化层作为极板的电容器。为了获得性能更优良，体积更小，储能密度更高的电容器，需要提高金属化膜的直流介电强度，这样就能使同样厚度金属化膜电容器工作在更高的电压，提高储能密度，减小体积。
随着我国高端科技的发展和重点科研项目的推进，需要研发一款应用于特定环境的充电时间75s，脉冲时间500μs，6次/天，间隔2小时，寿命达40000次的高电压大脉冲直流电容器。根据电容器性能分析，该电容器单只芯子元件需采用5.5μm聚丙烯薄膜作为电介质，在金属化层结构上采用了三内串结构。制成的电容器芯子元件需要在9kV下长期通电运行，需要的金属化薄膜的直流介电强度为545VDC/μm；然而现有的金属化薄膜还无法承受545VDC/μm的直流介电强度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了高直流介电强度金属化膜，具体技术方案如下：
高直流介电强度金属化膜，包括聚丙烯薄膜层，所述聚丙烯薄膜层的表面设有多个基底金属化铝层，多个所述基底金属化铝层相互间隔设置，所述基底金属化铝层之间的间隔区域为无金属中间屏蔽区；所述基底金属化铝层的边缘处与聚丙烯薄膜层之间留有无金属边缘留边区；
所述基底金属化铝层的表面设有金属化锌加厚层，所述金属化锌加厚层包括边缘金属锌加厚层、中间金属化锌加厚层；所述边缘金属锌加厚层、中间金属化锌加厚层均设于基底金属化铝层的表面，所述边缘金属锌加厚层位于基底金属化铝层的表面边缘处，所述中间金属化锌加厚层设于基底金属化铝层的表面中部；
所述基底金属化铝层的表面附着有逸散的锌颗粒，在基底金属化铝层的总金属原子含量中锌颗粒占比不超过10％。
进一步的，所述边缘金属锌加厚层、基底金属化铝层以及聚丙烯薄膜层所处外端均平齐设置，所述边缘金属锌加厚层的截面呈直角梯形，所述边缘金属锌加厚层的直角边位于外端。
进一步的，所述聚丙烯薄膜层的厚度为5.5μm，所述聚丙烯薄膜层的宽度为150mm。
进一步的，所述边缘金属化锌加厚层的宽度为9mm，中间金属化锌加厚层的宽度为14mm，无金属中间屏蔽区的宽度为4mm，无金属边缘留边区的宽度为5mm。
进一步的，所述边缘金属化锌加厚层的厚度大于中间金属化锌加厚层的厚度。
进一步的，所述边缘金属化锌加厚层的方阻为2～4Ω/□，所述中间金属化锌加厚层的方阻为4～6Ω/□，所述基底金属化铝层的方阻为60±5Ω/□。
高直流介电强度金属化膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、调节真空度：调节镀膜机内的高真空度仓的真空度至10-2pa(10-4mbar)量级；
S2、放卷：镀膜机上的有机电介质薄膜放卷，使得有机电介质薄膜输送至油屏蔽管上方；
S3、油屏蔽：油屏蔽管内的油液被加热为蒸气，油液蒸气穿过油屏蔽板上的喷口，然后油液蒸气向上附着至金属化膜上的无金属中间屏蔽区和无金属边缘留边区；
S3、蒸镀：加热使得金属蒸气达到饱和蒸气压，随后金属蒸气附着在有机电介质薄膜上，蒸镀形成边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层以及基底金属化铝层，控制基底金属化铝层的总金属原子含量中锌颗粒占比不超过10％；
S4、收卷成型：蒸镀后的有机电介质薄膜再由收卷***收卷，收卷***保持-20±10℃以急速冷却薄膜。
进一步的，所述金属蒸气蒸镀附着在有机电介质薄膜上具体的为：
S3.1、控制铝蒸发源的温度为1200-1600℃，锌蒸发源的温度为500-600℃；
S3.2、有机电介质薄膜先经过铝蒸发源顶部，涂覆适当厚度的基底金属化铝层；
S3.3、有机电介质薄膜经过锌蒸发源顶部，保持锌炉处于500-600℃的蒸发温度下，出锌口分布在对应边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层的底部，出锌口宽度小于边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层的宽度，除出锌口外，锌炉上不得有其他锌逸出点；涂覆适当厚度的边缘金属锌加厚层、中间金属化锌加厚层。
高直流介电强度的电容器芯子，所述电容器芯子由多层结构相同的金属化膜卷制而成，相邻所述金属化膜之间错开设置，相邻所述金属化膜之间相对的区域依次为第一引出电极区、第一电容区、第一连接区、第二电容区、第二连接区以及第二引出电极区；所述第一引出电极区、第二引出电极区均为边缘金属化锌加厚层与无金属边缘留边区相对重叠的区域；所述第一电容区、第二电容区、第三电容区均为两个基底金属化铝层相对重叠的区域；所述第一连接区、第二连接区均为中间屏蔽区与中间金属化锌加厚层重合区域。
进一步的，所述第一引出电极区、第二引出电极区的宽度均为6.5mm；所述第一电容区、第二电容区、第三电容区的宽度均为43.5mm；所述第一连接区、第二连接区的宽度均为4mm。
本发明的有益效果是：该薄膜的直流介电强度可以达到550V/μm以上，制成的大脉冲直流电容器工作电压高，储能密度大，体积小。
附图说明
图1示出了本发明的高直流介电强度金属化膜的结构示意图；
图2示出了本发明的高直流介电强度金属化膜制作成电容器芯子元件结构示意图；
图中所示：1、聚丙烯薄膜层；101、无金属中间屏蔽区；102、无金属边缘留边区；2、基底金属化铝层；201、锌颗粒；3、边缘金属化锌加厚层；4、中间金属化锌加厚层；5、第一引出电极区；6、第一电容区；7、第一连接区；8、第二电容区；9、第二连接区；10、第二引出电极区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，高直流介电强度金属化膜，包括聚丙烯薄膜层1，所述聚丙烯薄膜层1的表面设有多个基底金属化铝层2，多个所述基底金属化铝层2相互间隔设置，所述基底金属化铝层2之间的间隔区域为无金属中间屏蔽区101；所述基底金属化铝层2的边缘处与聚丙烯薄膜层1之间留有无金属边缘留边区102；
所述基底金属化铝层2的表面设有金属化锌加厚层，所述金属化锌加厚层包括边缘金属锌加厚层3、中间金属化锌加厚层4；所述边缘金属锌加厚层3、中间金属化锌加厚层4均设于基底金属化铝层2的表面，所述边缘金属锌加厚层3位于基底金属化铝层2的表面边缘处，所述中间金属化锌加厚层4设于基底金属化铝层2的表面中部；
所述基底金属化铝层2的表面附着有逸散的锌颗粒201，在基底金属化铝层2的总金属原子含量中锌颗粒201占比不超过10％；通过控制锌颗粒的逸散量，能够提高金属化膜的直流介电强度。
作为上述技术方案的改进，所述边缘金属锌加厚层3、基底金属化铝层2以及聚丙烯薄膜层1所处外端均平齐设置，所述边缘金属锌加厚层3的截面呈直角梯形，所述边缘金属锌加厚层3的直角边位于外端。
作为上述技术方案的改进，所述聚丙烯薄膜层1的厚度为5.5μm，所述聚丙烯薄膜层1的宽度为150mm。
作为上述技术方案的改进，所述边缘金属化锌加厚层3的宽度为9mm，中间金属化锌加厚层4的宽度为14mm，无金属中间屏蔽区101的宽度为4mm，无金属边缘留边区102的宽度为5mm。
作为上述技术方案的改进，所述边缘金属化锌加厚层3的厚度大于中间金属化锌加厚层4的厚度；边缘金属化锌加厚层能够提高金属化膜边缘处的耐高温能力、耐直流的能力；中间金属化锌加厚层能够提高中部耐高温能力、耐直流的能力；由于边缘处电流强度大，因此较厚的边缘金属化锌加厚层能够满足金属化薄的工作需要。
作为上述技术方案的改进，所述边缘金属化锌加厚层3的方阻为2～4Ω/□，所述中间金属化锌加厚层4的方阻为4～6Ω/□，所述基底金属化铝层2的方阻为60±5Ω/□；通过控制边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层、基底金属化铝层的方阻为上述各个值，便可保证金属化膜的粗糙程度、致密程度、光滑程度以及淀积的金属膜薄厚是否均匀；提高金属化薄的质量和直流介电强度。
高直流介电强度金属化膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、调节真空度：调节镀膜机内的高真空度仓的真空度至10-2pa(10-4mbar)量级；
S2、放卷：镀膜机上的有机电介质薄膜放卷，使得有机电介质薄膜输送至油屏蔽管上方；有机电介质薄膜的厚度为5.5μm，有机电介质薄膜的宽度为150mm；
S3、油屏蔽：油屏蔽管内的油液被加热为蒸气，油液蒸气穿过油屏蔽板上的喷口，然后油液蒸气向上附着至金属化膜上的无金属中间屏蔽区和无金属边缘留边区；无金属中间屏蔽区的宽度为4mm，无金属边缘留边区的宽度为5mm；
S3、蒸镀：蒸镀的金属蒸气达到饱和蒸气压，金属蒸气蒸镀附着在有机电介质薄膜上，蒸镀形成边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层以及基底金属化铝层；
S4、收卷成型：蒸镀后的有机电介质薄膜再由收卷***收卷，收卷***保持-20±10℃以急速冷却薄膜。
作为上述技术方案的改进，所述金属蒸气蒸镀附着在有机电介质薄膜上具体的为：
S3.1、控制铝蒸发源的温度为1200-1600℃，蒸发源的温度为500-600℃；
S3.2、有机电介质薄膜先经过铝蒸发源顶部，涂覆适当厚度的基底金属化铝层，使得基底金属化铝层的方阻为60±5Ω/□；
S3.3、有机电介质薄膜经过锌蒸发源顶部，出锌口分布在对应边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层区域，涂覆适当厚度的边缘金属锌加厚层、中间金属化锌加厚层，使得边缘金属化锌加厚层的方阻为2～4Ω/□，中间金属化锌加厚层的方阻为4～6Ω/□，边缘金属化锌加厚层的宽度为9mm，中间金属化锌加厚层的宽度为14mm。
对上述方法制得的金属化薄膜进行检测：将制得的金属化膜样品切除边缘金属化锌加厚层和中间金属化锌加厚层；使用X射线光电子能谱仪，用1000Ev能量的Ar离子蚀刻20s后测量基底金属化铝层表面；基底金属化铝层的总金属原子含量中锌占比不超过10％，即锌污染率低于10％。
如图2所示，高直流介电强度的电容器芯子，所述电容器芯子由多层结构相同的金属化膜卷制而成，相邻所述金属化膜之间错开设置，相邻所述金属化膜之间相对的区域依次为第一引出电极区5、第一电容区6、第一连接区7、第二电容区8、第二连接区9以及第二引出电极区10；所述第一引出电极区、第二引出电极区均为边缘金属化锌加厚层与无金属边缘留边区相对重叠的区域；所述第一电容区、第二电容区、第三电容区均为两个基底金属化铝层相对重叠的区域；所述第一连接区、第二连接区均为中间屏蔽区与中间金属化锌加厚层重合区域。
所述第一引出电极区、第二引出电极区的宽度均为6.5mm；所述第一电容区、第二电容区、第三电容区的宽度均为43.5mm；所述第一连接区、第二连接区的宽度均为4mm。
对上述电容器芯子进行检测：电容器芯子元件卷绕圈数为2000圈，可以制成额定电容量为20μF的电容器芯子元件(内部三串联)。对该元件进行加电压测试，9kV/90s，10kV/90s，10kV/12min后，电容器芯子元件外观无变化，电容量衰减率在1％左右。金属化膜的直流介电强度达606V/μm，超过了545VDC/μm的设计要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.高直流介电强度金属化膜，其特征在于：包括聚丙烯薄膜层，所述聚丙烯薄膜层的表面设有多个基底金属化铝层，多个所述基底金属化铝层相互间隔设置，所述基底金属化铝层之间的间隔区域为无金属中间屏蔽区；所述基底金属化铝层的边缘处与聚丙烯薄膜层之间留有无金属边缘留边区；
所述基底金属化铝层的表面设有金属化锌加厚层，所述金属化锌加厚层包括边缘金属锌加厚层、中间金属化锌加厚层；所述边缘金属锌加厚层、中间金属化锌加厚层均设于基底金属化铝层的表面，所述边缘金属锌加厚层位于基底金属化铝层的表面边缘处，所述中间金属化锌加厚层设于基底金属化铝层的表面中部；
所述基底金属化铝层的表面附着有逸散的锌颗粒，在基底金属化铝层的总金属原子含量中锌颗粒占比不超过10％。
2.根据权利要求1所述的高直流介电强度金属化膜，其特征在于：所述边缘金属锌加厚层、基底金属化铝层以及聚丙烯薄膜层所处外端均平齐设置，所述边缘金属锌加厚层的截面呈直角梯形，所述边缘金属锌加厚层的直角边位于外端。
3.根据权利要求1所述的高直流介电强度金属化膜，其特征在于：所述聚丙烯薄膜层的厚度为5.5μm，所述聚丙烯薄膜层的宽度为150mm。
4.根据权利要求1所述的高直流介电强度金属化膜，其特征在于：所述边缘金属化锌加厚层的宽度为9mm，中间金属化锌加厚层的宽度为14mm，无金属中间屏蔽区的宽度为4mm，无金属边缘留边区的宽度为5mm。
5.根据权利要求2所述的高直流介电强度金属化膜，其特征在于：所述边缘金属化锌加厚层的厚度大于中间金属化锌加厚层的厚度。
6.根据权利要求1所述的高直流介电强度金属化膜，其特征在于：所述边缘金属化锌加厚层的方阻为2～4Ω/□，所述中间金属化锌加厚层的方阻为4～6Ω/□，所述基底金属化铝层的方阻为60±5Ω/□。
7.高直流介电强度金属化膜的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
S1、调节真空度：调节镀膜机内的高真空度仓的真空度至10-2pa(10-4mbar)量级；
S2、放卷：镀膜机上的有机电介质薄膜放卷，使得有机电介质薄膜输送至油屏蔽管上方；
S3、油屏蔽：油屏蔽管内的油液被加热为蒸气，油液蒸气穿过油屏蔽板上的喷口，然后油液蒸气向上附着至金属化膜上的无金属中间屏蔽区和无金属边缘留边区；
S3、蒸镀：加热使得金属蒸气达到饱和蒸气压，随后金属蒸气附着在有机电介质薄膜上，蒸镀形成边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层以及基底金属化铝层，控制基底金属化铝层的总金属原子含量中锌颗粒占比不超过10％；
S4、收卷成型：蒸镀后的有机电介质薄膜再由收卷***收卷，收卷***保持-20±10℃以急速冷却薄膜。
8.根据权利要求7所述的高直流介电强度金属化膜的制备方法，其特征在于：所述金属蒸气蒸镀附着在有机电介质薄膜上具体的为：
S3.1、控制铝蒸发源的温度为1200-1600℃，锌蒸发源的温度为500-600℃；
S3.2、有机电介质薄膜先经过铝蒸发源顶部，涂覆适当厚度的基底金属化铝层；
S3.3、有机电介质薄膜经过锌蒸发源顶部，保持锌炉处于500-600℃的蒸发温度下，出锌口分布在对应边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层的底部，出锌口宽度小于边缘金属化锌加厚层、中间金属化锌加厚层的宽度，除出锌口外，锌炉上不得有其他锌逸出点；涂覆适当厚度的边缘金属锌加厚层、中间金属化锌加厚层。
9.高直流介电强度的电容器芯子，其特征在于：应用上述权利要求1所述的金属化膜；所述电容器芯子由多层结构相同的金属化膜卷制而成，相邻所述金属化膜之间错开设置，相邻所述金属化膜之间相对的区域依次为第一引出电极区、第一电容区、第一连接区、第二电容区、第二连接区以及第二引出电极区；所述第一引出电极区、第二引出电极区均为边缘金属化锌加厚层与无金属边缘留边区相对重叠的区域；所述第一电容区、第二电容区、第三电容区均为两个基底金属化铝层相对重叠的区域；所述第一连接区、第二连接区均为中间屏蔽区与中间金属化锌加厚层重合区域。
10.根据权利要求9所述的高直流介电强度的电容器芯子，其特征在于：所述第一引出电极区、第二引出电极区的宽度均为6.5mm；所述第一电容区、第二电容区、第三电容区的宽度均为43.5mm；所述第一连接区、第二连接区的宽度均为4mm。
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