金属化膜击穿与自愈性能研究

王健涛，吴致远，王昕劼，钟少龙，党智敏

（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084；2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

金属化薄膜电容器是将金属化的聚合物薄膜卷绕得到的电容器。相比传统油浸式电容器，金属化膜电容器可以避免绝缘油泄露的问题，噪声水平更低，体积和重量小于油浸式电容器，储能密度高，更好的满足柔性直流输电系统的空间和能量要求。金属化膜电容器凭借诸多优点，还广泛应用于电动汽车、轨道交通、国防武器等方面，对薄膜电容器和金属化膜的研究具有重要意义[1-2]。

金属化膜具有自愈性能，能够提高电容器在高场强下的工作稳定性。当电容器场强升高时，电弱点位置首先发生击穿，形成放电通路，电荷流经放电通道产生的大量热使得电弱点附近的金属层气化，将电弱点电气隔离，电容器恢复到之前的电压水平，使得绝缘重新恢复[3-5]。

金属化膜电容器最常用的介质材料是双向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene，BOPP）薄膜，在常温下具有低损耗和较高的击穿电压。但高温下BOPP薄膜的性能会快速下降，因此更耐高温的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）薄膜也是常用的薄膜电容器材料[6]。金属化膜电容器的电极材料一般为铝、锌或锌铝合金，厚度在100 nm 以下[7]。金属化膜电容器的核心在于金属化的聚合物薄膜，金属化膜的电学性能和自愈性能会直接影响卷绕后形成的电容器的性能。金属化膜则是由金属层、介质层以及界面组成的，对于金属化膜的调控最为直接的是金属层以及介质层的种类和厚度。因此本文通过搭建自愈性能测试平台，研究了金属层厚度对聚合物薄膜击穿性能和自愈性能的影响。

1 自愈性能测试方法

金属化膜在自愈的过程中会发生短暂的介质击穿、等离子产生、金属受热蒸发以及最后电弧熄灭等多个现象[8]。当发生自愈放电时，电弱点的位置形成通路和电弧，自愈电弧从形成到消失的过程中，导电通路的形成会消耗一定的能量，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决定，当自愈能量过大时，可能造成薄膜受热分解的石墨层堆积，或多层薄膜烧结，放电通道连接，使得自愈不彻底导致自愈失败，电容器绝缘无法恢复。因此对于聚合物薄膜的自愈性能，一般通过分析其发生自愈时的自愈能量来描述其自愈性能。对于自愈能量的测量，Tortai 等人通过光测量法利用快速光电二极管测量自愈持续时间，但测量结果并不精确[9]。Sassoulas 等人通过人工引入电弱点进行自愈实验，优点是便于观察自愈点的位置，提高自愈现象发生的概率，但与实际自愈过程存在差别[10]。根据上面的分析，自愈能量主要由发生自愈时的电压电流以及自愈时间决定，因此本实验中采用电测量法测量自愈能量。

搭建如图1 所示的自愈能量测试电路，其中：Rc为保护电阻；C0为稳压电容；Cs为样品膜电容；Rs为1 Ω 的采样电阻，通过Rs上的电压反映流经样品的电流。样品采用两张基本相同的金属化膜上下叠放如图2 所示。将两张金属化膜错位叠放在一起，两边放上电极，则起到介电作用的是中间的公共区域。通过测量自愈发生时的电压电流波形，积分得到自愈能量。

图1 自愈能量测试电路Fig.1 Test circuit of self-healing energy

图2 自愈测试平台样品薄膜放置示意图Fig.2 Schematic diagram of sample film placement on self-healing test platform

自愈成功的经典电压电流波形如图3 所示。当金属化膜发生自愈放电时，电弱点处形成放电通道，产生电弧，电压开始降低同时电流急剧增大。当功率密度降低达到临界时，电弧难以维持逐渐熄灭[11]，电流开始降低同时电压慢慢升高，基本恢复到之前的电压水平，薄膜恢复绝缘能力。

图3 自愈放电典型电压电流波形Fig.3 Typical voltage and current waveform of self-healing discharge

2 金属化膜特性表征

本文通过真空蒸镀的方式，制备了金属层厚度分别为70 nm、80 nm 和100 nm 的金属化BOPP 和PET 薄膜，对薄膜的方阻、直流击穿性能和自愈性能进行了测试。

2.1 薄膜方阻

方阻作为金属化膜的重要参数，影响薄膜的通流能力与自愈性能，首先对不同金属层厚度的介质薄膜方阻进行了测量，不同金属化膜的方阻见图4。

图4 方阻与电极厚度的关系Fig.4 Relationship between square resistance and electrode thickness

根据图4 可知，同种电介质薄膜的方阻随着电极厚度的增加而下降，相同电极厚度下，不同电介质薄膜表现出不同的方阻大小，BOPP 薄膜方阻要高于PET 薄膜。这种差异随着电极厚度降低而愈发显著。

方阻用于表征金属镀层的厚度，蒸镀金属层越薄方阻越大。而在同种金属层厚度下，不同聚合物薄膜的方阻并不相同，这是因为当金属层厚度很低，并与介质薄膜接触时，整张金属化膜的方阻就不再只与金属电极厚度相关。Dong Q 等人的研究指出，当金属电极连续时，薄膜方阻与薄膜表面峰谷粗糙度有关，粗糙度越大，方阻越大。铝原子蒸发后在聚合物表面成膜的过程中，成膜效果与聚合物的表面能有关，PET 薄膜表面能高于BOPP 薄膜，PET 薄膜的表面上铝原子更容易形成成核点位，使得金属电极更加光滑[12]。因此在相同金属层厚度下，BOPP 薄膜的方阻高于PET 薄膜，随着电极厚度增加，粗糙度影响效果降低，电极厚度影响更显著，电极厚度越大，不同介质薄膜的方阻差异性越低。

2.2 击穿性能

对样品进行击穿测试，直流电压下不同薄膜击穿场强的Weibull 分布如图5 所示。

图5 不同金属化膜击穿场强Weibull分布Fig.5 Weibull distribution of breakdown strength for different metallized films

比较不同样品的击穿强度发现，不同金属层厚度的金属化膜，击穿场强随着电极厚度的降低而提高，耐压能力也得到提升。相比基膜的70 nm、80 nm 和100 nm 电极的BOPP 薄膜的击穿场强分别提高了6.52%、3.07%和1.62%，3 种电极厚度的PET 薄膜的击穿场强也分别有6.09%、3.20%和1.81%的提高。

自愈放电时，金属化膜通过蒸发电弱点附近金属电极的方式，将电弱点电气隔绝，提高薄膜的耐压能力。在电弱点面积一定时，电极清除体积与电极厚度成正比，金属层厚度低的薄膜需要更小的能量即可完成电弱点的隔离，自愈过程更容易成功。因此金属层厚度低的薄膜表现出更高的电气强度。

2.3 自愈性能

金属化薄膜的自愈现象实质是电弱点发生击穿放电后被隔离清除的过程，由于聚合物薄膜在生产拉伸以及真空蒸镀的过程中的随机性，薄膜内部存在耐压能力不同的电弱点，因此金属化膜会在不同的电压等级下发生不同程度的自愈放电现象。实验中设定样品两端的升压速率为50 V/s，将不同厚度不同电介质的聚合物薄膜按照图2 所示摆放，金属层的一面均朝上放置，电极分别放在上下两张膜的边缘金属部分，以便模拟中间介质层在上下都含有纳米级金属层时的情况。实验中测量到部分自愈波形如图6 所示，部分自愈形貌如图7 所示。

图6 自愈能量测试电压电流波形Fig.6 Voltage and current waveform in the test of selfhealing energy

图7 金属化膜自愈形貌Fig.7 Self-healing morphology of metallized film

根据图6 中的电压电流波形所示，当电弱点无法承受电压，发生击穿放电时，电压迅速下降，同时电流提高到较大值，随后电弧熄灭，电流下降接近零，绝缘恢复，整个自愈过程持续时间一般为数微秒。图7 为某次自愈后显微镜下的自愈形貌，其中（a）为上层膜，（b）为下层膜。可以看到，由于放电通路的形成伴随大量的热效应，上下层金属化膜的金属电极都有区域蒸发清除，上层介质薄膜发挥绝缘作用承受电压，电弱点位置形成明显的放电通道。金属化膜的自愈过程是一个带有热量传递的迅速放电过程，热量的产生会导致金属的蒸发和电介质的化学变化等多种影响，在单次自愈过程中，金属化膜会发生电介质击穿，电弧产生，电极蒸发等多个物理化学变化，这是一个具有随机性的过程，每次自愈的电极清除形状具有不确定性[7]。

为了分析金属层厚度对薄膜自愈性能的影响，对每次自愈过程的电压电流波形进行积分，计算得到单次自愈的自愈能量。由于电弱点耐压能力不一致和金属层厚度的不均匀，自愈现象的发生和自愈能量的大小具有随机性，将不同电压下观察的多次自愈现象和计算的自愈能量进行统计得到结果见图8。

图8 金属化膜自愈能量分布Fig.8 Self-healing energy distribution of metallized film

根据图8 自愈能量的分布可以发现，首先对于单张金属化膜，单次自愈能量与自愈电压正相关，表现为散点图中样品电压越高，自愈能量越向更高值集中，即电压等级越高，自愈能量均值越高。其次对于同种聚合物薄膜，金属层厚度越大，自愈能量越大。由于不同薄膜发生自愈放电概率较大的电压值不同，因此分别关注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点（如散点图中黑色方框内的点）。同种聚合物金属化膜在相同的电压等级下，金属层越厚，方阻越低的薄膜，自愈能量越向高数值分布，平均值越大。

自愈过程释放的能量主要用于蒸发电弱点附近的金属电极，因此金属化膜单次自愈的能量大小与电弱点的形状和大小、金属电极的厚度有关。在不考虑压强和温度的影响下，相同电弱点大小时方阻越低的金属化膜需要清除更多的金属电极，而电压等级提高时，电弱点的数量和面积也会随之增加，因此需要更高的自愈能量。金属化膜卷绕成电容器后，自愈能量过高时容易造成多层膜的烧结导致自愈失败，绝缘无法恢复[13]，因此目前实际的金属化膜电容器也经常采用增大薄膜方阻即减小电极厚度的方法降低电容器的自愈能量，提高电容器在高场强下的工作可靠性。但是金属化膜发方阻过高时，电容器的热效应会更严重，加速电容器的热老化损伤[14-17]，因此根据金属化膜制备电容器时需要确定合适的方阻范围。

除了比较便于辨认观察的较为理想的单张聚合物薄膜单次自愈的电压电流波形外，实验中还观察到如图9 所示的自愈放电波形。这种自愈波形的特点是，在前一次发生自愈放电后，电流逐渐归零，电压逐渐恢复的过程中，再次出现电流的增大和电压的降低现象，经过一次或多次重复之后最终电压恢复为工作电压，绝缘重新恢复。在一次长时间电流较大的过程中，会出现几次电流的局部尖峰，与单次自愈比较类似，这种现象称为薄膜的连续自愈现象。Belko，V.等人在对PP 和PET 电容器进行自愈实验时也观测到类似的现象，并根据电流峰出现的次数分为单次自愈、重复自愈以及多次自愈[18]。

图9 连续自愈波形图Fig.9 Waveform of continuous self-healing process

发生连续自愈有多种原因，一方面，薄膜内部存在多个电弱点，其中可能存在击穿电压相近的薄弱点，当薄膜承受的电压达到一定程度时，可能会存在多个电弱点发生几乎同步的自愈现象，由于自愈放电的持续时间为微秒级，因此测量样品的电流波形可能出现第1 次自愈未结束便发生第2 次自愈的情况。另一方面，当某个电弱点发生自愈放电时，周围大量电荷会向电弱点涌入，造成周围出现较大的电流密度，在较大电流和温度升高的情况下，可能导致电弱点附近薄弱的位置发生自愈放电，表现为电流未下降到零便重新升高以及薄膜电极清除部分连接，如图9 所示。多次自愈不仅会导致电极面积进一步的减少，更严重的可能发生同一位置上下层的聚合物薄膜击穿形成通道，导致电容器内部的烧结以及丧失绝缘能力。因此目前也有通过设计安全膜，将金属电极分块的做法避免电弱点附近的多次自愈，以提高电容器的使用可靠性[19-21]。

3 结语

本文针对干式电容器用金属化膜，研究了金属层厚度对薄膜击穿特性和自愈特性的影响，结论如下：

1）金属化膜电极越薄，方阻越高，同种电介质薄膜的击穿场强越高。高方阻金属化膜的电极更容易在自愈时清除完全，自愈失败或薄膜贯穿碳化的概率降低，介质薄膜更能够工作在极限工作场强下；

2）高方阻薄膜在一定的电压等级下具有更低的自愈能量，而电压等级越高，薄膜的自愈能量也会越大。电极更薄，方阻更高的金属化膜在高场强下的自愈能量更低，自愈过程更容易成功，电容器在高电压下的工作稳定性也会得到提升。在设计金属化膜参数结构时也要考虑连续自愈的现象，避免发生自愈失败或电容量的大幅降低，减少电容器使用寿命。