一种自供能的新型陶瓷储能性能检测装置

本发明涉及检测设备技术领域，具体地说，是一种自供能的新型陶瓷储能性能检测装置，利用摩擦纳米发电机对陶瓷电容器进行充放电测试，得到充放电电流曲线，实现对陶瓷电容器储能性能的检测。

背景技术：

电容器的储能能力主要指在一定条件下（电场强度、温度等）释放了多少能量，也就是储能密度的大小。储能密度可以通过直接测试充放电电流或者测试p-e关系得到，进一步计算可以得到储能效率。

对铁电、弛豫铁电和反铁电等高介电材料而言，最常用的储能密度测试方法是通过saw-yer-tower电路来测试p-e关系。通过计算电滞回线与坐标轴的面积可以得到样品的储能密度与储能效率。sawyer-tower方法是将待测器件与一个标准感应电容co串联，测量待测样品上的电压降(v2v1)。其中标准电容c的电容量远大于试样cx，因此加到示波器x偏向屏上的电压和加在试样c2上的电压非常接近;而加到示波管y偏向屏上的电压则与试样c3两端的电荷成正比。因此可以得到铁电样品表面电荷随电压的变化关系，分别除以电极面积和样品厚度即可得到极化强度p与电场强度e之间的关系曲线。

saw-yertower电路存在着功能单一、数据不稳定等问题，且基于此电路的电铁测试仪测试过程中大电压产生的极化会对样品的测试结果产生较大的影响，此外，此种测试方法有较大概率会导致样品被击穿导致无法二次测试。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明披露了一种自供能的新型陶瓷储能性能检测装置，具体技术方案如下：

一种自供能的新型陶瓷储能性能检测装置，包括摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机向外引出导线连接有一个电流表和一个电压表，电流表、电压表与摩擦纳米发电机串联，还包括有一个陶瓷电容器，陶瓷电容器设置在电流表与电压表中间，陶瓷电容器与摩擦纳米发电机并联。

本发明的进一步改进，陶瓷电容器包括台阶状管式陶瓷绝缘介质，台阶状管式陶瓷绝缘介质由一小圆管与一大圆管一体压铸而成，在台阶状管式陶瓷绝缘介质的内孔壁设有内电极，在台阶状管式陶瓷绝缘介质的外圆壁设有外电极，在小圆管的端头开设有第一环状凹槽，第一环状凹槽与小圆管的空腔相通；和/或在大圆管的端头开设有第二环状凹槽，第二环状凹槽与大圆管的空腔相通。

在本发明中，陶瓷电容器还可以采用不同的产品结构，具体包括陶瓷体、第一外电极及第二外电极，陶瓷体具有第一侧面、第二侧面、第三侧面及第四侧面，第一侧面与第三侧面相对设置，第四侧面与第二侧面相对设置，第一外电极设于第一侧面、第二侧面、第三侧面及第四侧面中的至少一个，第二外电极设于第一侧面、第二侧面、第三侧面及第四侧面中的至少一个，且第一外电极与第二外电极在第一外电极及第二外电极中任一个所在的平面上的正投影不重叠。

在本发明中，陶瓷电容器采用无铅反铁电陶瓷电容器，该无铅反铁电陶瓷电容器包括圆饼形陶瓷电容，圆饼形陶瓷电容的上下两面烧结有银电极层。

圆饼形陶瓷电容器下表面银电极层的直径大于圆饼形陶瓷电容器上表面银电极层的直径，其中，圆饼形陶瓷电容器的直径为10mm、厚度在0.1-0.7mm之间，圆饼形陶瓷电容器的上表面银电极层的直径为4mm，圆饼形陶瓷电容器的下表面银电极层的直径为6mm。

上述技术方案中，圆饼形陶瓷电容器如下：

步骤一、以纯度为99.99%的na2co3、纯度为99.99%的nb2o3、纯度为99.95%的srco3、纯度为99.9%的bi2o3和纯度为99.99%的tio2为原料，采用常规固相反应法合成了0.7nn-0.3sbt；

步骤二、再将按照化学式称量过后的原料放入行星球磨罐中，用纯度为99.7%的乙醇溶液进行混合后，用氧化锆球作为混合介质以300转/分钟的转速球磨24小时；

步骤三、球磨完成后，将球磨罐放入干燥箱在80℃下干燥10小时；

步骤四、干燥过后，将粉末在900℃下预烧5个小时，然后将预烧过后的粉末放入球磨罐在相同条件下二次球磨24小时，再干燥；

步骤五、将干燥后的粉末与粘结剂pva（5wt%）进行混合研磨，之后将研磨后的粉末在100mpa压力下压制成直径10毫米的圆盘样品，压制完成后以3度/分钟的速度升至600℃并保温2小时以除去粘合剂，之后升至1140℃并烧结2小时，最终形成圆饼形陶瓷电容器。

在本发明中，摩擦纳米发电机的结构如下：

上下的底板用的是亚克力的材质，中间的摩擦层用的材料分别是金属铝薄膜和ptfe薄膜（聚四氟乙烯高分子化学材料），通过按压亚克力板，使得这两种薄膜不停的接触分离，外部即可产生电信号。这两种材料可以被任意的两种相反极性的材料代替，只要在接触摩擦时，一边失去电子，一边得到电子即可。

在上述技术方案中，利用摩擦纳米发电机产生交流电，对无铅反铁电陶瓷电容器进行充放电测试，使用双通道电流电压表对其进行实时监测。通过对充放电电流曲线进行计算，得到电容的充放电电荷，充满电的电荷除以体积可以得到储能密度。释放电荷q1除以理论电荷q2=cv（电容值乘以释放电压）为储能效率。

由于摩擦纳米发电机给出的是小电压，产生的极化影响忽略不计，并且不会导致样品被击穿。测试过程中可以给出陶瓷电容器放电的快慢、峰值电流、放电电流曲线等信息。

本发明的有益效果：本发明利用摩擦纳米发电机设计了一种新型的陶瓷电容器储能性能检测装置，解决了saw-yertower电路测试过程中大电压对样品产生的极化，从而影响测试数据的问题，以及该电路容易导致样品被击穿而无法二次测量的问题。此外，本装置结构简单、成本低；此外，本发明中还披露了一种无铅反铁电陶瓷电容的结构和制造方法，该无铅反铁电陶瓷电容采用无铅工艺制成减少了铅对环境的污染和破坏。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中无铅反铁电陶瓷电容器的结构示意图。

图3是本发明对陶瓷电容器进行充放电测试，充放电电压曲线图。

图4是本发明对陶瓷电容器进行充放电测试，充放电电流曲线图。

图5是本发明中摩擦纳米发电机的机构示意图。

图中，1-摩擦纳米发电机，2-电流表，3-电压表，4-无铅反铁电陶瓷电容器，5-陶瓷电容器，6-银电极层，7-亚克力板，8-金属铝薄膜，9-ptfe薄膜，10-弹簧。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例一：如图1和图2所示，一种自供能的新型陶瓷储能性能检测装置，包括摩擦纳米发电机1，摩擦纳米发电机1向外引出导线连接有一个电流表2和一个电压表3，电流表2、电压表3与摩擦纳米发电机1串联，还包括有一个无铅反铁电陶瓷电容器4，无铅反铁电陶瓷电容器4设置在电流表2与电压表3中间，无铅反铁电陶瓷电容器4与摩擦纳米发电机1并联。

本发明的进一步改进，无铅反铁电陶瓷电容器4包括圆饼形陶瓷电容器5，圆饼形陶瓷电容器5的上下两面烧结有银电极层6。

实施例二：一种自供能的新型陶瓷储能性能检测装置中，陶瓷电容器包括台阶状管式陶瓷绝缘介质，台阶状管式陶瓷绝缘介质由一小圆管与一大圆管一体压铸而成，在台阶状管式陶瓷绝缘介质的内孔壁设有内电极，在台阶状管式陶瓷绝缘介质的外圆壁设有外电极，在小圆管的端头开设有第一环状凹槽，第一环状凹槽与小圆管的空腔相通；和/或在大圆管的端头开设有第二环状凹槽，第二环状凹槽与大圆管的空腔相通。

实施例三：一种自供能的新型陶瓷储能性能检测装置中，陶瓷电容器采用不同的产品结构，具体包括陶瓷体、第一外电极及第二外电极，陶瓷体具有第一侧面、第二侧面、第三侧面及第四侧面，第一侧面与第三侧面相对设置，第四侧面与第二侧面相对设置，第一外电极设于第一侧面、第二侧面、第三侧面及第四侧面中的至少一个，第二外电极设于第一侧面、第二侧面、第三侧面及第四侧面中的至少一个，且第一外电极与第二外电极在第一外电极及第二外电极中任一个所在的平面上的正投影不重叠。

如图3和图4所示，在上述实施例一到三中，使用摩擦纳米发电机产生交流电，对陶瓷电容器进行充放电测试，同时给出充放电电压以及电流曲线图。

使用摩擦纳米发电机给陶瓷电容器充电，充满，然后断开摩擦纳米发电机（电源），在某一电压处进行放电，结合q=cv，可以得到他该放出的理论电荷。

另外，将电容充满电直接释放，积分后得到电荷除以陶瓷体积，可以得到陶瓷电容器的储能密度。

本实施例可以直接得到电流充放电曲线，能够得到陶瓷电容器的储能密度、储能效率，充放电速度，电流峰值等信息。充放电电流曲线、充放电速度、电流峰值是saw-yertower电路测试方法得不到的。

如图5所示，在上述实施例中，摩擦纳米发电机的结构如下：

上下的底板用的是亚克力板7，两层亚克力板7之间通过弹簧10连接，中间的摩擦层用的材料分别是金属铝薄膜8和ptfe薄膜9（聚四氟乙烯高分子化学材料），通过按压亚克力板7，使得这两种薄膜不停的接触分离，外部即可产生电信号。这两种材料可以被任意的两种相反极性的材料代替，只要在接触摩擦时，一边失去电子，一边得到电子即可。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。