林鐸 陳芬生 梁珀榮 陳駿耀

摘要：近年來(lái)，聚偏氟乙烯（PVDF）由于其擁有較高的耐擊穿電壓特性，因此以其為基體的復(fù)合材料常被用于做薄膜電容器的電介質(zhì)。本文基于多物理場(chǎng)仿真軟件Comsol Multiphysics對(duì)聚偏氟乙烯薄膜電容器進(jìn)行建模仿真，探究其儲(chǔ)能密度。

關(guān)鍵詞：Comsol Multiphysics；儲(chǔ)能密度；薄膜電容器；聚偏氟乙烯（PVDF）；耐擊穿電壓

一、引言

近年來(lái)隨著手機(jī)、PAD以及筆記本等便攜式設(shè)備普及和發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)能電容器提出了小型化、低成本、輕質(zhì)量、高可靠性及高能量密度等更高要求。因此，如何在有限的器件空間里儲(chǔ)存更多的能量，即提高器件的儲(chǔ)能密度成為了研究重點(diǎn)。薄膜電容器是一種儲(chǔ)能密度較高的儲(chǔ)能器件。薄膜電容器的儲(chǔ)能密度與其本身電介質(zhì)和加在其上面的電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。本文使用多物理場(chǎng)仿真軟件Comsol Multiphysics對(duì)聚偏氟乙烯充當(dāng)電介質(zhì)的薄膜電容器進(jìn)行建模仿真，探究其儲(chǔ)能密度。

二、Comsol Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件介紹

Comsol Multiphysics擁有多種物理場(chǎng)接口，如靜電場(chǎng)，磁場(chǎng)等，涵蓋了電學(xué)，聲學(xué)，化學(xué)，電化學(xué)，流體學(xué)，熱力學(xué)，光學(xué)，半導(dǎo)體學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)等多種學(xué)科和領(lǐng)域。Comsol Multiphysics的核心功能在于可以把這些物理場(chǎng)耦合起來(lái)進(jìn)行仿真，最大程度的模擬實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，可以快速的得到仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，具有省時(shí)省力的特點(diǎn)，還可以用于在實(shí)際實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)的可行性先進(jìn)行探究，作為判斷是否有必要進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)的依據(jù)之一。本文使用Comsol Multiphysics里的靜電場(chǎng)接口進(jìn)行仿真。

三、實(shí)驗(yàn)原理

四、建模仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以Jiaojiao Wei[1]的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模仿真。選取PVDF作為平行電容板的電介質(zhì)，設(shè)定PVDF的相對(duì)介電常數(shù)為9.07，對(duì)電容板施加電壓為867V[1]，探究其最大儲(chǔ)能密度。

基本步驟如下：

（1）新建Comsol Multiphysics模型，對(duì)模型的基本設(shè)置進(jìn)行配置

模型向?qū)Аx擇空間維度（三維）→選擇物理場(chǎng)（靜電）→選擇研究（穩(wěn)態(tài)）；

（2）構(gòu)建幾何模型

選擇長(zhǎng)度單位（μm）→新建圓柱1體用作電介質(zhì)（半徑10，高度12）→新建圓柱體2及其鏡像用作平行板（半徑10，高度0.5）；

（3）配置幾何模型的材料

增加材料→選擇PVDF→配置PVDF的介電常數(shù)為9.07[1]→配置PVDF的幾何實(shí)體（選擇所有域）；

（4）配置靜電場(chǎng)

配置靜電場(chǎng)的域（選擇所有域）→新建終端（選擇域?yàn)閳A柱體2，選擇電壓為867V）→新建接地（選擇域?yàn)閳A柱體2的鏡像）；

（5）配置網(wǎng)格

新建自由剖分四面體網(wǎng)格 1→尺寸選擇較粗化；

（6）配置研究

選擇生成缺省圖→計(jì)算結(jié)果；

（7）配置缺省圖

替換電勢(shì)3D繪圖組的表達(dá)式為es.W，單位為J/m3。

仿真實(shí)驗(yàn)所得薄膜電容器的儲(chǔ)能密度為2.12×105 J/m3（0.21J/cc），與Jiaojiao Wei[1]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1所示）保持一致，可認(rèn)為模型正確。

五、結(jié)語(yǔ)

本文利用Comsol Multiphysics建立了一個(gè)較為準(zhǔn)確的模型，準(zhǔn)確地對(duì)聚偏氟乙烯薄膜電容器的儲(chǔ)能密度特性進(jìn)行了仿真探究，得到的結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。隨著電動(dòng)汽車、便攜式移動(dòng)設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)電子器件的儲(chǔ)能密度要求越來(lái)越高，可以利用本文的方法對(duì)聚偏氟乙烯等各種電介質(zhì)材料進(jìn)行建模，分析其儲(chǔ)能密度、耐擊穿電壓、局域漏電流等介電性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]位姣姣.高儲(chǔ)能密度電容器用聚合物薄膜介電擊穿特性研究[D].電子科技大學(xué).2015.