基于电火花系统的薄膜材料表面处理设备

发布时间：2020-08-20 10:08

【摘要】：超级电容作为新一代的储能元件其应用越来越广泛,它比电容高,能量转换效率高,可以用来单独使用或与普通电池结合使用,能够提升普通电池的使用效率,突破其现有的局限性。超级电容多应用于大电流场合,因此其内阻往往不能忽视,而内阻中最主要的就是电极材料与集流体材料之间的接触内阻,超级电容的电极材料一般采用铝箔,并且由于铝箔表面会存在氧化层,从而会进一步加大接触电阻的影响;所以,通过对铝箔进行表面处理,减小集流体与电极之间的接触电阻,可以大大提升超级电容的性能。为了减小集流体与电极材料的接触电阻,一种常用的方法是用等离子体溅射或电弧溅射的方法,一般是利用电容放电产生电火花的瞬间高温对铝箔表面进行处理,电容的一端连接碳棒,另一端连接铝箔,用碳棒撞击铝箔在接触瞬间会出现电火花并产生高温,清理铝箔表面的氧化层,同时也会有碳颗粒镶嵌进铝箔表面,这样既能去除铝箔表面的氧化层,又能增加铝箔与电极材料的接触面积,可以明显减小其接触电阻。本文以此为基础,提出一种新的薄膜材料表面处理设备,该设备由骨架结构、打火工作台、振动系统及电火花装置组成,骨架结构为整个设备的骨架支持,用于安装放置其他结构以协调工作。打火工作台采用表面光滑的空心圆柱体,用来铺放铝箔,从而使电火花系装置在此出工作,对材料表面进行处理;振动系统包括碳棒的振动与转动部分,振动部分用于带动碳棒的振动,从而使其与所处理材料撞击产生电火花进行工作;转动部分用于带动与铝箔接触打火所用的碳棒转动,避免碳棒单面接触铝箔材料,影响碳棒使用寿命,并且避免碳棒与铝箔材料接触不充分,提高对材料的处理效果;电火花装置为本设备最重要的部分,这里采用恒流源的方式进行打火,与电容电感的方式相比,可以自由设置工作时的电压电流大小,从而保证既能够有效地处理材料表面,又不会损坏材料,恒流源可以用MOS管来实现,使MOS管工作在放大区即可使其为恒流状态,从而满足设备的要求,并且也可以通过改变对MOS管的输入电压来控制恒定电流的大小。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TB383.2
【图文】：

所以电机材料的表面积越大，两个电极板之间的距离越小，电容的容量就越大，超级电容器的基本结构如图1.1，超级电容主要就是从这两方面来提升容量。在超级电容中所用到的电极材料，它的比表面积高达 2000 2· 1，而且与一般的平行板电容器相比，它的两个电极板之间的距离非常小[1]，所以，它的比电容一般高达 100F · 1或 10F · 3，其容量可以远高于普通电容器。超级电容器的基本结构如图 1.1，从图中可以看出超级电容主要由正负电极材料、电解质和隔膜组成，在正负极材料之间用隔膜材料隔开，防止正负两电极短路，然后将正负极与薄膜组成的电芯一起放入电解液质中，包装之后即得到超级电容器。另外我们看到，在正负极材料上面分别连接有集流体材料，它们用于穿过外包装与外界接触，来实现超级电容的充放电。超级电容所用到

电感放电电路图如图1.2 中图（a），它是当碳棒与铝箔接触时，电路导通，电感充电，碳棒离开时，由于电感的自身特性会产生电火花，以对材料表面进行处理，这种方法由于是在碳棒离开时打火，所以碳颗粒在材料表面的嵌入率不高，并且容易脱落，造成超级电容的性能下降；电容放电电路图如图 1.2 中图（b），它是先给电容充电，当碳棒与材料接触时放电产生电火花，这种方法是在碳棒撞击材料时产生电火花，能够保证碳颗粒嵌入材料表面，但由于其电压电流不可控，使用小电容时电火花效果不明显，大电容时产生的电火花又会打穿材料，影响使用。所以这两种方法首先在工作过程中电压电流不可控，会在工作中破坏材料或者碳颗粒不能嵌入材料表面，这种不彻底的处理方式不仅对材料提升有限，而且也可能会造成材料的浪费；此外，目前的电火花装置多数结构比较复杂并且生产价格比较昂贵，而且在操作过程中也极其复杂，比如在调节镶嵌物材料（如碳棒）与铝箔的相对位置时，调节空间小很不方便，另外传送轴较多，容易造成材料浪费，并且不方便重置，难以广泛的推广应用。这将会严重制约行业的发展。针对上述问题，本文提出一种新的薄膜材料表面处理设备，该设备由骨架结构、打火工作台、振动系统及电火花装置组成，骨架结构为整个设备的骨架支持，用于安装放置其他结构以协调工作。打火工作台采用表面光滑的空心圆柱体，用来铺放铝箔，从而使电火花系装置在此出工作，对材料表面进行处理；振动系统包括碳棒的振动与转动部分

图 2.1 设备 3D 效果图水平滑台部分由滑台驱动电机带动其滑台自身的工作台左右水平移动电机使用扭矩 12Nm 的 86 式步进电机，整个滑台通过背面的安装支架放的骨架结构的主安装板上，在滑台的工作台上安装有振动系统及碳棒转振动系统主要由一个长 68mm、横向长度 50mm、厚 0.5mm 接近“L”型纯个振动套头组成，铁片用在电磁铁中，由一对电磁铁交替通电产生磁场回振动，振动套头用于固定碳棒位置，其碳棒下端内部为圆锥形，碳棒，透过下面的圆锥体漏出一小部分，用于和铝箔接触产生电火花，对材行处理；此处所用电磁铁采用双“U”型硅钢片磁芯，一端用于固定，置线圈形成电磁铁，在电磁铁两端通有 12V 的电压，它的通断由单片机 波进行控制，PWM 为高电平时，所使用的 MOS 管打开，电磁铁通电产生磁平时 MOS 管关闭磁场消失。碳棒转动部分主要由转动电机通过齿轮连接动碳棒旋转，齿轮位于图中的小方盒子里，齿轮连接长条的传动杆，碳

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本文编号：2797849