一种金属化膜电极腐蚀观测装置及方法

1.本发明属于金属化膜腐蚀测量技术领域，更具体地，涉及一种金属化膜电极腐蚀观测装置及方法。


背景技术：

2.金属化膜电容广泛用于抑制线路中的电磁干扰，通常并联在交流线路中，以保障线路稳定运行。近年来，金属化膜电容在低功率电容电源中的应用逐步扩大，此时电容器与负载(如智能电表)串联以限制电流大小。对于工业应用中跨接电网两线间和户外电表的阻容降压电源的应用场景，金属化膜电容会遭遇高温或/和高湿环境，电容量会逐渐下降。对失效电容器的解剖分析表明，纳米级厚度的电极出发生了氧化。以铝电极为例，当电极氧化成绝缘性能良好的氧化铝时，电极有效面积减小、电容量下降。在电容器跨接线连接的传统应用中，电容器仅用作滤波器，实际电容可能会发生明显变化，但对负载影响很小或没有影响。然而，当电容器与负载串联时，电容稳定性对于确保负载电流稳定至关重要。
3.因此，随着金属化膜电容器应用愈发广泛，工作环境逐渐复杂，金属化膜电容器电极腐蚀引起的劣化问题已成为不可忽视的问题。金属化膜电极腐蚀的研究可以为电容器工作性能评估、寿命预测、可靠性分析和结构优化设计提供理论指导。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种金属化膜电极腐蚀观测装置及方法，可以观测金属化膜电极的腐蚀过程。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种金属化膜电极腐蚀观测装置，包括：金属化膜样品、恒温恒湿箱、调压器和光学显微镜；
6.其中，所述金属化膜样品包括高、低压电极以及部分重叠放置的上、下层金属化膜，上、下层金属化膜的相对侧沿长度延伸方向设有留边区，所述高、低压电极分别紧贴放置在上、下层金属化膜非重叠区域；
7.所述金属化膜样品放置在所述恒温恒湿箱中，所述高、低压电极通过导线延伸至所述恒温恒湿箱之外，与所述调压器相连；
8.所述恒温恒湿箱放置在所述光学显微镜的观测台上，以观测所述金属化膜样品的腐蚀过程。
9.进一步地，所述上、下层金属化膜重叠区域放置透明物体，以模拟金属化膜的层间压力。
10.进一步地，所述上、下层金属化膜处于重叠区域的一端设有留边区。
11.进一步地，所述高、低压电极通过铝箔与上、下层金属化膜形成电连接，与铝箔接触的上、下层金属化膜表面涂有导电银胶。
12.进一步地，所述装置还包括高频电压源，用于在金属化膜样品两端施加交流电压。
13.进一步地，所述装置还包括示波器、电子目镜、显示器和隔离变压器；
14.其中，所述示波器用于测量金属化膜样品两端承受的电压幅值和频率；
15.所述电子目镜用于在所述显示器中显示所述光学显微镜观测到的画面；
16.所述隔离变压器用于对所述光学显微镜、示波器、电子目镜和显示器供电。
17.第二方面，本发明提供了一种基于第一方面所述的金属化膜电极腐蚀观测装置实现的金属化膜电极腐蚀观测方法，包括以下步骤：
18.s1，根据计算金属化膜样品电容量，其中ε0为真空介电常数，εr为介质薄膜的相对介电常数，s为上、下层金属化膜重叠区域的面积，d为单张金属化膜的厚度；通过高、低压电极与lcr数字电桥连接，测量金属化膜样品电容量；若金属化膜样品电容量测量值与计算值之差在允许范围内，则执行s2，否则重新制备金属化膜样品；
19.s2，将金属化膜样品放在恒温恒湿箱中，打开光学显微镜、电子目镜、显示器以及示波器，在镜头下找到金属化膜样品的电极边缘区域，调节光学显微镜对焦直至显示器中画面清晰；
20.s3，调节恒温恒湿箱中温湿度至温度设定值和湿度设定值；
21.s4，调节金属化膜样品两端电压和频率至电压设定值和频率设定值；
22.s5，打开电子目镜录像功能，待金属化膜样品两端电压稳定后再次调节光学显微镜对焦直至显示器中画面清晰；
23.s6，每隔第一预设时间重新调节光学显微镜对焦，同时调节电源电压，使金属化膜样品两端电压偏差在偏差范围内，直至金属化膜样品的电极边缘退化距离在第二预设时间内无明显变化，停止试验，保存录像，并通过录像视频获得退化距离随时间变化的曲线。
24.进一步地，所述s4包括：调节金属化膜样品两端电压至电压设定值的5％～10％，再调节金属化膜样品两端频率至频率设定值，之后再调节金属化膜样品两端电压至电压设定值。
25.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
26.(1)本发明采用两层单面金属化膜模拟电容，金属化膜样品置于恒温恒湿箱内部，通过恒温恒湿箱控制温度和湿度，使用高频电压源给金属化膜样品两端施加电压，并通过示波器测量电压幅值和频率。试验过程中采用光学显微镜观测金属化膜电极边缘退化距离，进而可以得到不同电压幅值、频率和电极成分下的电极腐蚀速率。本发明试验装置简单、测量方法便捷、可操作性强，观测结果准确度高。
27.(2)本发明在上、下层金属化膜处于重叠区域的一端设有留边区，保证高、低压电极间的绝缘。
28.(3)本发明高、低压电极通过铝箔与上、下层金属化膜形成电连接，与铝箔接触的上、下层金属化膜表面涂有导电银胶，以保证铝箔和上、下层金属化膜电连接的稳定性，同时防止金属层表面局部放电所导致的电极损失。
附图说明
29.图1是本发明实施例提供的金属化膜电极腐蚀观测装置的示意图。
30.图2是本发明实施例提供的金属化膜样品示意图。
31.图3是本发明实施例提供的金属化膜电极腐蚀观测方法的流程图。
32.图4是本发明实施例提供的金属化膜电极边缘退化距离随时间变化曲线示意图。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
35.实施例1
36.参阅图1，本发明提供了一种金属化膜电极腐蚀观测装置，包括：金属化膜样品、恒温恒湿箱、高频电压源、调压器、光学显微镜、示波器、电子目镜、显示器和隔离变压器。
37.其中，如图2所示，金属化膜样品包括高、低压电极以及部分重叠放置的上、下层金属化膜，上、下层金属化膜的相对侧沿长度延伸方向设有留边区，上、下层金属化膜处于重叠区域的一端也设有留边区，保证高、低压电极间的绝缘。高、低压电极分别紧贴放置在上、下层金属化膜非重叠区域，高、低压电极通过铝箔与上、下层金属化膜形成电连接，与铝箔接触的上、下层金属化膜表面涂有导电银胶，干燥后放置铝箔和高、低压电极，以保证铝箔和金属化膜电连接的稳定性，同时为了防止金属层表面局部放电所导致的电极损失。上、下层金属化膜重叠区域放置透明物体，以模拟金属化膜的层间压力，并减少膜层间的空隙距离；优选地，透明物体为有机玻璃。
38.恒温恒湿箱用于控制环境温湿度，金属化膜样品放置在恒温恒湿箱中，恒温恒湿箱上设有出线孔，用于将高、低压电极通过导线延伸至恒温恒湿箱之外，与调压器相连。
39.示波器用于测量金属化膜样品承受的电压幅值和频率。
40.高频电压源在金属化膜样品两端施加交流电压，并调节金属化膜样品两端频率。
41.调压器用于调节金属化膜样品两端电压大小，采用保护电阻限制回路电流。
42.隔离变压器用于对光学显微镜、示波器、电子目镜和显示器供电供电，以保证人身安全和设备安全。
43.光学显微镜观测到的画面通过电子目镜在显示器显示，电子目镜拍摄的视频存储在移动硬盘等存储介质中。电子目镜的放大倍数计算方法为l＝a
·b·
c/d，其中，a为物镜放大倍数；b为目镜转接适配器倍数；c为显示器屏幕对角线尺寸；d为摄像头目镜的靶面尺寸。
44.实施例2
45.参阅图3，本发明提供了一种金属化膜电极腐蚀观测方法，包括以下步骤：
46.s1，根据计算金属化膜样品电容量，其中ε0为真空介电常数，εr为介质薄膜的相对介电常数，s为上、下层金属化膜重叠区域的面积，d为单张金属化膜的厚度；通过高、低压电极与lcr数字电桥连接，测量金属化膜样品电容量(测试频率为1000hz)；若金属化膜样品电容量测量值与计算值之差在允许范围内(例如，不超过20％)，则执行s2，否则重新制备金属化膜样品；
47.s2，将金属化膜样品放在恒温恒湿箱中，打开光学显微镜、电子目镜、显示器以及示波器，在镜头下找到金属化膜样品的电极边缘区域，调节光学显微镜对焦直至显示器中画面清晰；
48.s3，调节恒温恒湿箱中温湿度至温度设定值和湿度设定值；
49.s4，调节金属化膜样品两端电压和频率至电压设定值和频率设定值；
50.s5，打开电子目镜录像功能，待金属化膜样品两端电压稳定后再次调节光学显微镜对焦直至显示器中画面清晰；
51.s6，每隔第一预设时间(例如，30min)重新调节光学显微镜对焦，同时调节电源电压，使金属化膜样品两端电压偏差在偏差范围内，直至金属化膜样品的电极边缘退化距离在第二预设时间内(例如，1h)无明显变化，停止试验，保存录像，并通过录像视频获得退化距离随时间变化的曲线，曲线的斜率可以表征金属化膜电极腐蚀速率。
52.此外，除了通过观测金属化膜样品的电极边缘退化距离，还可以通过观测腐蚀点变化，来获取金属化膜电极腐蚀速率。不同之处在于，s2中，在镜头下找到上、下层金属化膜的重叠区域。在s5之后，还包括：在通电30min后关闭电压源，通过光学显微镜在上、下层金属化膜的重叠区域寻找可观测腐蚀点。s6中，直至金属化膜样品的腐蚀点直径在第二预设时间内无明显变化，停止试验，保存录像，并通过录像视频获得腐蚀点直径随时间变化的曲线。
53.本实施例中，单张金属化膜的厚度d为6.8μm，上、下层金属化膜重叠区域的面积s为1020mm2，根据计算金属化膜样品电容量为2.92nf；通过高、低压电极与lcr数字电桥连接，测量金属化膜样品电容量为2.86nf(测试频率为1000hz)，测量值与计算值相差不超过20％，该金属化膜样品有效。将金属化膜样品放在恒温恒湿箱中，打开光学显微镜、电子目镜、显示器以及示波器，在镜头下找到金属化膜样品的电极边缘区域，调节光学显微镜对焦直至显示器中画面清晰，光学显微镜放大倍数计算为340倍。恒温恒湿箱设定温度为25℃，设定湿度为50％。金属化膜样品两端设定电压分别为305vrms和400vrms，设定频率为5khz，控制调压器缓慢升压至30v，通过示波器观测金属化膜样品两端电压和频率，调节电源频率至5khz。控制调压器继续缓慢分别升压至305vrms和400vrms，打开电子目镜录像功能，待金属化膜样品两端电压稳定后再次调节光学显微镜对焦直至显示器中画面清晰。试验期间大概每30min左右重新调节光学显微镜对焦，同时调节电源电压，保证样品两端电压偏差在
±
1％的范围内。试验255min后，电极边缘退化距离1h内无明显变化，停止试验，通过录像视频测量退化距离随时间变化曲线，如图4所述，对于305vrms，曲线的斜率为k1＝0.68μm/min，k2＝0.07μm/min；对于400vrms，曲线的斜率为k1＝1.18μm/min，k2＝0.10μm/min。
54.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。