在脉冲功率设备中，作为储能元件的脉冲电容器是极为重要的部件，在整个设备中占有很大的体积。现有的大功率脉冲电源设备大多采用箔式结构电容器或金属化膜电容器，前者储能密度低，发生故障易爆炸；后者放电电流小，放电寿命短。为满足微波、激光等大功率发射装置需要储能元件具有高储能密度、大输出电流和长充放电寿命等特殊性能的要求，本文从理论上对陶瓷电容器的储能密度、频率、老化特性进行了分析，研制了陶瓷电容器试品，通过直流耐压和重复充放电试验对其性能进行了初步研究。
1陶瓷电容器电气特性1.1影响储能密度的因素电容的形成原理可用在两块导电电极之间夹有电介质的平行板型电容结构来说明。电极间电容量C为电容器储存能量于两电极间的绝缘材料中，绝缘材料的体积储能密度为考虑到金属电极本身的厚度及绝缘材料的留边、外壳、引线等，电容器的总体积Vt将大于电极间所夹绝缘介质的有效体积Vi，设定Vt/Vi=K（K> 1），则按电容器整体体积计算的储能密度为由（4）式可知，要实现高的储能密度，绝缘介质必须具有很大的介电常数、尽量小的K值，或者能承受很高的工作场强。电容器技术发展至今，在绝缘材料的留边、引线、外壳等方面的技术己经相当完善，想降低K值的潜力不大，因而获得高介电常数和高工作场强的绝缘介质是提高电容器储能密度的主要研究方向。
1.1.1陶瓷介质的介电常数陶瓷电容器的绝缘介质选用钛酸钡（Ban3）基瓷料，这类铁电体是极性材料，晶格中高价的t，被周围的2-包围，在钛氧离子之间存在相互作用。当Ti4+在外电场作用下发生位移时便会引起2-的电子层发生强烈的变形，02-的电子位移极化反过来又加强了T，上的电场，使得Ti4+发生更大的位移。在离子位移极化和电子位移极化的相互作用下，晶体处于高度的极化状态，表现出很高的介电常数。根据陶瓷介质材料的介电温度特性可知，材料处于居里点时（如BaTi3陶瓷为120*C）其相对介电常数达到最大值。
*：2⑴40-04；修订日期：2⑴40614基金项目：国家863计划项目资助课题◎：朱钱男硕士生▲稼压技术术的的作骑出挪您通翌或mreserved.另外，当温度降到居里点以下时，随着温度继续下降，BaTi3晶体由立方晶系变为四方晶系，Ti4会偏离中心位置，产生极性，发生自发极化。自发极化会随外电场的方向而改变。在电场作用下，铁电体的极化强度P随场强E的变化轨迹为电滞回线。描述电滞回线的主要参数是外加电场为零时的自发极化强度Ps和使自发极化反相所需的矫顽电场强度Ec.BaTi3晶体的Ps为2.6x10-9C/m2，Ec为0.65V/Um，可知BaTi3的Ec不大，因而较低的场强就能使晶体的自发极化反转。这也是BaTi3具有很高介电常数的原因之一。
在BaTi3中掺杂移峰剂，可以使居里点移至常温，一般BaTi3基陶瓷在常温下的相对介电常数能达103~ 104量级。
1.1.2陶瓷介质的工作场强陶瓷的瓷相主要由晶相、玻璃相和气相组成，此外还存在一定量的气孔和杂质。瓷料的性质主要由晶相性质决定，而Ban3晶格离子之间、离子电子之间极化作用很强，因此Ban3陶瓷晶相必然具有较高的抗电强度。玻璃相来源于瓷料中各组份达到一定温度后形成的低共熔物和在电子陶瓷烧结工艺中的添加剂以及混入瓷料中的杂质。由于在玻璃相中存在大量的松弛结构，过大的晶界能影响到陶瓷的介电性能，使介质容易击穿。气相是烧结过程中难以避免的产物，为了提高陶瓷的抗电击穿能力，气孔要尽可能小、尽可能少。由于陶瓷介质整体的抗电强度与其制作工艺密切相关，采用先进工艺制作的Ban3基陶瓷介质在直流和工频交流电场下的击穿场强能达到20V/Um以上。
结合陶瓷介质的高介电常数和高工作场强两个方面可知：陶瓷电容器能够实现高储能密度。
1.2频率特性陶瓷制品的频率特性因掺杂成分的不同而表现出很大的差异，例如作为微波介质材料的高频陶瓷（如Ba2Ti92）工作频率可达GHz数量级。制作电容器的高频电容器陶瓷和低频电容器陶瓷频率特性也不一样。高频电容器介质材料极化时仅有电子的位移极化和离子弹性位移极化，极化过程不消耗能量，即没有极化损耗，因而介质损耗由电导损耗、游离损耗和附加损耗组成，外在表现出很小的tan5值（一般小于6x 10-4）。低频电容器陶瓷介质材料极化时还存在与温度和外电场相关的离子松弛式极化和转向极化，极化过程要消耗能量，对介质损耗影响较大，表现出较Fig.1￡randtan5ofBaTiO3ceramic大的tan5值（一般高达10-2数量级）。BaTiO3陶瓷是典型BdriO3陶瓷的和tanS的低频电容器陶瓷材料，频率特性如所示。可知，当工作频率高于107Hz时，相对介电常数*r的下降和介质损耗tan5的上升比较明显，因而BaTiO3基陶瓷电容器不能应用于频率高于107Hz的工作条件下，但可用于数kHz至数MHz的振荡放电回路中，能够承受较大功率的脉冲电流。
1.3老化特性电容器老化表现为电容量C的减小和介质损耗tan5的增大，在陶瓷电容器中C的减小为介电常数*减小的外在体现，而BaTiO3基陶瓷的介电常数具有随时间变化而逐渐达到稳定的特性。刚做成的陶瓷电容器试样品在强电场的作用下，C和tan5值起初变化快，后来越变越慢，陶瓷这种介电特性的时间效应即为陶瓷老化。
以BaTiO3陶瓷为例，老化现象主要是由电畴运动引起的。当温度高于居里点时不存在自发极化，当温度降到居里点时，自发极化立即发生，瞬时形成电畴。初生的电畴，活性很大，处于一种自由能较高的介稳状态中，故极易为外电场所定向，表现为具有较大的e和较小的tan5.随着时间的延长，在热运动的激烈作用下，初生电畴将通过新畴成核、畴分裂和畴壁移动等方式消除电畴初始形成的电畴应力，从而调整到自由能更低、更稳定的畴结构状态，活动性大为降低，C和tan5值逐渐趋向稳定。工艺良好的BaTiO3基陶瓷电容器能够多次充放电，具有很长的寿命。一个1yF/500V电容器试样品通过750V直流耐压试验后在100Hz重复频率下进行充放电试验，其C和tan5值的变化如所示。
电容量和介质损耗的变化2可靠性试验2.1无损检测陶瓷电容器除了晶相内部有自身结构缺陷外，由于制作工艺极为复杂，在坯件制造过程中不可避免地会引入杂质，在烧结成瓷过程中将形成裂纹和不可能完全消除的气孔等，因此最终形成的电容器产品内部不同程度地存在分层、裂纹、气孔、结块、杂质等缺陷。我们采用超声波无损探伤技术对试验样品进行了检测，筛选掉内部有较大缺陷的试样品，留9片合格品。
2.2破坏检测试样品是以BaTi3为主要原料、符合X7R温度特性的多层陶瓷电容器，其设计工作电压为500V，电容量C为1PF，体积储能密度为720J/L.破坏试验包括直流耐压试验和寿命试验两部分。首先对试品做直流耐压。
充放电电压（a）和放电电压（b）波形9片试样品全部通过750V直流耐压试验，其中试样品1和2完成了重复充放电次数达107次的寿命试验后C分别为1. 19%和1.21%；其余7片都分别进行了1.08x106次重复充放电寿命试验。测试结果如表1所示，NT表示无损检测。
表1电容器检测数据记录◎由表可知，直流耐压试验后无缺陷和有缺陷试样品电容量下降的平均值分别为0.058 08x16次寿命试验使得没有缺陷和有缺陷的试样品电容量下降平均值分别为。
284和0.0186UF；9片试样品在整个试验过程中介损值变化量不大。通过无损探伤筛选出的没有内部缺陷的电容器试样品与有微小缺陷的试样品在设定的破坏性检测条件下，其电容量和介损值的变化没有很大差别，电容器内部缺陷大小程度对其可靠性的影响有待进一步研究。试样品1和2在直流耐压试验后电容量减小量为初始值的4. 56%和494%，充放电107次过程中电容量减小量分别为初始值的2. 64%和2.36%，可知耐压试验对电容量的损失起主要作用。从记录试验数据得知：随着充放电次数的加，电容量和介损变化量逐渐减小。另外，从可以看出：试样品电容器在高于50kHz的高频振荡放电时能保持较好的放电电压波形。试验结果与理论分析结果比较吻合口。
3结束语通过从理论上对陶瓷电容器的储能密度、频率、老化特性的分析和从试验上对试制的陶瓷电容器试样品的可靠性的研究可知：陶瓷电容器具有电气特性稳定、高频特性良好、储能密度高、寿命长等优点，适合作为微波、激光、航天器等大功率强电流发射装置中的初级储能元件，或用于其它大电流电源中。
