兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (6): 1858-1866.doi: 10.12382/bgxb.2022.0103
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收稿日期:
2022-02-21
上线日期:
2023-06-30
通讯作者:
LIU Bo, YANG He*(), ZHAO Hui, WU Xuexing, LI Huamei, CHENG Xiangli
Received:
2022-02-21
Online:
2023-06-30
摘要:
针对高压陶瓷电容在外力作用下的容值漂移,提出外力作用下陶瓷电容容值变化的主要原因为材料介电性能的变化,而不是电容间距的变化。针对高压电容的应用场景,通过唯象热力学理论模型分析介质材料在相应场强下受外力时的介电性能变化,张应力将引起材料介电常数增大,压应力将引起材料介电常数减小。进一步的单轴试验结果与有限元仿真结果表明,平行于内电极方向的压力将使介质材料产生张应力,引起材料介电常数增大,导致电容容值升高;垂直于内电极方向的压力将使介质材料产生压应力,引起材料介电常数减小,导致电容容值降低。研究结果证明了通过材料唯象热力学理论模型来分析外力作用下陶瓷电容容值漂移的正确性,为高压陶瓷电容在更加复杂环境条件下的适应性分析与设计提供指导。
刘波, 杨荷, 赵慧, 吴学星, 李华梅, 程祥利. 单轴静压条件下高压多层陶瓷电容的容值变化[J]. 兵工学报, 2023, 44(6): 1858-1866.
LIU Bo, YANG He, ZHAO Hui, WU Xuexing, LI Huamei, CHENG Xiangli. Capacitance Variation of High-Voltage Multilayer Ceramic Capacitors Under Uniaxial Static Pressure[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(6): 1858-1866.
材料 | 密度ρ/ (kg·m-3) | 弹性模量 E/GPa | 泊松比 ν | 屈服强度 σs/MPa | 热膨胀系数/ (10-6K-1) |
---|---|---|---|---|---|
Ni | 8900 | 207 | 0.31 | 690 | 13.5 |
BaTiO3 | 6000 | 91 | 0.33 | 7.6 |
表1 内电极与介质材料的材料参数[14-15]
Table 1 Material parameters of the electrode and dielectric material[14-15]
材料 | 密度ρ/ (kg·m-3) | 弹性模量 E/GPa | 泊松比 ν | 屈服强度 σs/MPa | 热膨胀系数/ (10-6K-1) |
---|---|---|---|---|---|
Ni | 8900 | 207 | 0.31 | 690 | 13.5 |
BaTiO3 | 6000 | 91 | 0.33 | 7.6 |
相关 系数 | α1/ (J·m·C-2) | α11/ (J·m5·C-4) | α12/ (J·m5·C-4) | α111/ (J·m9·C-6) | α112/ (J·m9·C-6) | α123/ (J·m13·C-8) | α1111/ (J·m13·C-8) | α1112/ (J·m13·C-8) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 4.124×105(T-115) | -2.097×108 | -7.974×108 | 1.294×109 | -1.95×109 | -2.500×109 | 3.863×1010 | 2.529×1010 |
相关 系数 | α1122/ (J·m13·C-8) | α1123/ (J·m13·C-8) | Q11/ (m4·C-2) | Q12/ (m4·C-2) | Q44/ (m4·C-2) | S11/ (m2·N-1) | S12/ (m2·N-1) | S44/ (m2·N-1) |
数值 | 1.637×1010 | 1.367×1010 | 0.11 | -0.043 | 0.059 | 8.3×10-12 | -2.5×10-12 | 9.24×10-12 |
表2 吉布斯自由能的相关系数[18]
Table 2 Coefficients of Gibbs free energy[18]
相关 系数 | α1/ (J·m·C-2) | α11/ (J·m5·C-4) | α12/ (J·m5·C-4) | α111/ (J·m9·C-6) | α112/ (J·m9·C-6) | α123/ (J·m13·C-8) | α1111/ (J·m13·C-8) | α1112/ (J·m13·C-8) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 4.124×105(T-115) | -2.097×108 | -7.974×108 | 1.294×109 | -1.95×109 | -2.500×109 | 3.863×1010 | 2.529×1010 |
相关 系数 | α1122/ (J·m13·C-8) | α1123/ (J·m13·C-8) | Q11/ (m4·C-2) | Q12/ (m4·C-2) | Q44/ (m4·C-2) | S11/ (m2·N-1) | S12/ (m2·N-1) | S44/ (m2·N-1) |
数值 | 1.637×1010 | 1.367×1010 | 0.11 | -0.043 | 0.059 | 8.3×10-12 | -2.5×10-12 | 9.24×10-12 |
时间/min | 平行于内电极 方向的压力/kN | 垂直于内电极 方向的压力/kN | 对应电容表面 压力/MPa |
---|---|---|---|
0 | 0 | 0.45 | 0 |
5 | 2.55 | 0.90 | 10 |
10 | 5.10 | 1.80 | 20 |
15 | 10.20 | 2.70 | 40 |
20 | 15.30 | 3.60 | 60 |
25 | 20.40 | 0.45 | 80 |
30 | 2.55 | 5.40 | 100 |
35 | 30.60 | 0.45 | 120 |
表3 不同方向施加的压力历程
Table 3 Histories of stress applied to capacitor from different directions
时间/min | 平行于内电极 方向的压力/kN | 垂直于内电极 方向的压力/kN | 对应电容表面 压力/MPa |
---|---|---|---|
0 | 0 | 0.45 | 0 |
5 | 2.55 | 0.90 | 10 |
10 | 5.10 | 1.80 | 20 |
15 | 10.20 | 2.70 | 40 |
20 | 15.30 | 3.60 | 60 |
25 | 20.40 | 0.45 | 80 |
30 | 2.55 | 5.40 | 100 |
35 | 30.60 | 0.45 | 120 |
方向 | 压力/MPa | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
10 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | |
平行于内电极 | 0.2 | 0.5 | 0.9 | 1.4 | 1.8 | 2.3 | 2.8 |
垂直于内电极 | -8.2 | -16.0 | -32.0 | -48.8 | -65.1 | -81.4 | -97.3 |
表4 不同幅值的压力作用下介质材料的应力状态
Table 4 Stress state of the dielectric material under pressure of different amplitudes MPa
方向 | 压力/MPa | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
10 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 | |
平行于内电极 | 0.2 | 0.5 | 0.9 | 1.4 | 1.8 | 2.3 | 2.8 |
垂直于内电极 | -8.2 | -16.0 | -32.0 | -48.8 | -65.1 | -81.4 | -97.3 |
图16 平行于内电极方向的压力作用下材料介电常数变化率计算结果与高压陶瓷电容容值变化率测试结果对比
Fig.16 Comparison of simulation results and test results of the change rate of dielectric constant of the material under pressure parallel to the inner electrode
图17 垂直于内电极方向的压力作用下材料介电常数变化率计算结果与高压陶瓷电容容值变化率测试结果对比
Fig.17 Comparison of simulation results and test results of the change rate of dielectric constant of the material under pressure perpendicular to the inner electrode
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