重复频率自愈式脉冲电容器失效机理研究

项目围绕重复频率脉冲下金属化膜自愈式电容器的失效机理开展研究，重点研究金属化膜的击穿特性和自愈特性、大电流下电极断裂机理、电容器传热特性和寿命特性。研究表明： （1）温度的升高导致的自愈性能劣化是高温下金属化膜电容器寿命缩短和失效的原因，当温度从0℃增加到100℃时 BOPP膜的击穿场强由740 V/μm下降至543 V/μm；单次自愈试验出现单个自愈点的比例从84.4%下降到38.0%，而出现多个自愈点的比例从15.6%升高到62.0%； （2）在脉冲电流作用下，金属电极的断裂可分为裂纹发展和电爆炸两种类型，在单次脉冲电流作用下金属电极发生电爆炸的临界电流密度为1.07×1011 A/m2，重复脉冲电流作用下金属电极发生裂纹发展的临界电流密度为1.39×1010 A/m2。 （3）从电容器发热功率、热传导和散热三方面论述电容器的传热过程，其中重点研究电容器中体积功率密度分布和热传导过程。基于热传导方程、体积功率密度分布和边界散热条件建立了金属化膜电容器的温升仿真模型，研究了工作参数（如工作电流、重复频率等）对电容器温升的影响。 （4）建立了电容器重复频率脉冲充放电寿命测试平台，研究重复频率参数对电容器寿命的影响。研究结果表明：重复频率越高，电容器寿命越长。确定电容器的重复频率-电压-温度-电流多参数作用下的可靠工作区间。 发表资金资助的论文20篇，其中SCI收录13篇，EI收录6篇，授权发明专利10项，制定电容器行业标准1项。获教育部科学进步奖一等奖。参加国际会议3次，国内会议2次，其中国际会议大会特邀报告1次，国内会议分会场特邀报告1次。

金属化膜电容器由于具有自愈特性，因此可以工作在较高的场强下，是单次脉冲功率下首选的储能元件，应用于重复频率脉冲功率时，存在热量积累导致的热失效、自愈不完全导致的电容器短路以及大电流作用下的端部脱落问题。制约了金属化膜电容器在重复频率应用领域的拓展。本项目拟研究重复频率自愈式金属膜电容器的失效机理，研究提高电容器介质的工作场强，提高电容器在重复频率下工作寿命和可靠性，解决金属化化膜电容器应用于重复频率脉冲功率的关键技术问题，其研究成果为拓展金属化膜电容器应用范围提供创新思路。

自愈混凝土的研究工作是于2012年10月在荷兰代尔夫特理工大学进行的。这是微生物学家亨克·杨克斯和混凝土技术专家埃里克·施兰根的心血结晶。如果一切顺利的话，可以在2~3年内开始该系统的商业化运作过程。

在实验室中，已经能够完成宽度为0.5mm裂缝的愈合过程，比规范允许范围高两到三倍。现在正在加大力度，必须产生出大量的自愈剂，并开始做户外测试，在不同建筑物，不同类型的混凝土中检验这个概念是否能在实践中真正起作用。

所面临的主要挑战是要确保愈合剂足够强大，不至于在混合过程中损坏。但是，为了做到这一点，就必须要为颗粒加涂层，这是非常昂贵的。

该小组目前正在试图降低这一点对整个过程增加的成本。但预计在大约6个月内进一步完善的系统即可就位。之后将开始室外测试；该团队已经跟几个可提供帮助的建筑公司商谈过。然后将对混凝土进行最少两年的监测，看看它在这种现实工作环境下的表现如何。结果如果很满意，可以考虑尝试商业化生产。 2100433B

针对冲击荷载作用下网壳结构的失效机理与防御方法展开研究。主要内容包括：（1）研究网壳结构受冲击荷载作用的精细化建模及研究方法，通过对精确化本构模型、非线性单元类型、接触类型、求解策略等进行细致研究，实现数值模型的精确、高效求解；（2）研究冲击荷载作用下网壳结构的失效模式及失效机理，研究其动力失效性质及特征，以及结构在冲击荷载作用下的失效准则；（3）研究冲击荷载作用下网壳结构的失效规律，研究冲击结束时刻的局部响应与结构失效模式之间的作用规律；（4）研究冲击荷载作用下网壳结构的防御方法，提出合理有效的网壳抗冲击的防御设计方法，指导结构抗冲击防御设计。通过本项目的研究，形成冲击荷载作用下网壳结构的失效机理与防御方法研究的较完善的分析与设计理论，提升我国大跨空间结构突发灾害防御研究水平。

集成光子器件是21世纪信息技术的支撑，耦合封装界面是集成光子器件最为薄弱的环节，它的失效机理和规律成为制约信息技术发展的瓶颈问题之一。本项目选择集成光子器件这一光电子技术发展的前沿，以其耦合封装界面为核心，研究热、力、湿等环境因素导致器件耦合封装结构破坏、对准精度丧失、界面介质畸变导致性能急剧劣化等失效形式的机理与规律，探索胶层特性、胶层厚度等封装结构和参数影响器件可靠性的规律，阐明集成光子器件封装界面应力分布规律、建立折射率畸变的定量分析模型，以及器件耦合界面的微裂纹、微位移、光传输分析模型，为集成光子器件的可靠性分析与寿命预测提供理论基础，为集成光子器件封装工艺优化提供理论指导。