CN105603372B - 电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头 - Google Patents

电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头 Download PDF

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Abstract

一种电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头，属于机械设计与电子工程技术领域，是由振动发生装置与被动电弧发生电路两部分组成；振动发生装置用于产生一定频率与幅度的机械振动，使石墨棒周期性接触待加工薄膜电极，以满足被动电弧发生电路的电弧发生条件；被动电弧发生电路的功能在于在石墨棒与待加工薄膜电极分离的瞬间在石墨棒与薄膜电极之间产生孤光放电，放电过程中产生的多种高速运动粒子撞击石墨棒使石墨颗粒脱离石墨棒并镶嵌在薄膜电极表面。本发明所述探头简化和缩小了薄膜电极表面石墨镶嵌加工所需设备，从而极大地提高了生产速度与加工质量，使薄膜电极极片改性的大规模生产成为可能。

Description

电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头
技术领域
本发明属于机械设计与电子工程技术领域，具体涉及一种用于改良薄膜电极导电特性(尤其是电阻率)的电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头。
背景技术
薄膜电极作为导电部件广泛存在于锂离子电池、超级电容等储能器件上。为使薄膜电极有更稳定的化学特性并减小薄膜电极的电阻，可以在薄膜电极表面镶嵌一定数量的微米尺度的石墨颗粒。
目前石墨颗粒镶嵌的实现方式主要有真空阴极溅射、真空偏压蒸镀、真空电弧溅射三种方法。三种方法虽然实现手段不同，但基本原理是一致的：在惰性气体保护下使石墨颗粒获得能量脱离石墨晶体并撞向待加工薄膜电极，通过石墨颗粒的高速撞击使石墨颗粒与待加工薄膜电极表面产生连接，从而实现石墨颗粒镶嵌在待加工薄膜电极表面的目的。
这几种实现方法均需要固定的石墨材料与固定的待镶嵌薄膜电极处在真空、惰性(多为Ar气体)气体保护的环境下，对环境温度也有很高的要求。这就造成完成石墨镶嵌加工的设备体积大、结构复杂，并且加工过程需要人工换装待加工薄膜电极与石墨原料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性能优异、稳定并可以在自动、半自动化设备上使用的用于在薄膜电极表面镶嵌石墨颗粒的电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头。
为实现上述设计目的，本发明所述的电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头包括振动发生装置与被动电弧发生电路两部分。其中振动发生装置用于产生一定频率与幅度的机械振动，使石墨棒周期性接触待加工薄膜电极，以满足被动电弧发生电路的电弧发生条件。被动电弧发生电路的功能在于在石墨棒与待加工薄膜电极分离的瞬间在石墨棒与薄膜电极之间产生孤光放电，放电过程中产生的多种高速运动粒子撞击石墨棒使石墨颗粒脱离石墨棒并镶嵌在薄膜电极表面。
进一步地，本发明所述的振动发生装置由基础背板1、摆杆2、连接轴3、左电磁铁6、右电磁铁4、导电环5和软磁铁片7组成，如图1所示。其中基础背板1用来固定连接轴3、左电磁铁6和右电磁铁4，摆杆2安装在连接轴3上，导电环5安装在摆杆2的底端，软磁贴片7固定在摆杆2的中部，并且垂直于左、右电磁铁的铁芯方向放置。
连接轴3是一个顶端带有螺纹、而其他部分光滑的细杆(直径5～8mm)，连接轴3没有螺纹的一端与基础背板1固定连接，连接轴3穿过摆杆2且光滑部分与摆杆2相接触，连接轴3带有螺纹的一端用于安装螺母，以防止摆杆2从连接轴3上滑落，这样摆杆2就可以绕连接轴3自由摆动，从而形成相对基础背板1的摆动；
导电环5用以夹持石墨棒10，导电环是经过表面抗氧化处理的中空铜环，导电环5的直径尺寸恰好使其能够夹紧石墨棒10，石墨棒的直径为1mm～10mm，长度在3～15cm范围内；导电环5的直径比石墨棒10的直径大0.03～0.1mm。
所述左电磁铁6与右电磁铁4是两个带有铁芯的电磁铁，有100mh以上的电感量以及2A以上的最高安全电流值，线圈的材料、匝数完全相同。左、右电磁铁的线圈未通电时，石墨棒沿竖直方向自然下垂，待加工薄膜电极沿水平方向放置，其表面与石墨棒相垂直。当探头工作时，交替给左、右电磁铁的线圈通以频率为50～150Hz的直流电(在每个周期内先对一个电磁铁通电，然后再对另一个电磁铁通电，两个电磁铁不同时被通电)，使得两个电磁铁交替产生磁场，从而交替吸引软磁铁片7，也就实现了带动摆杆2以及与之刚性连接的导电环5的左右摆动。由于系统工作时基础背板1相对于待加工的薄膜电极(金属箔)静止，并且摆杆2的摆动幅度较小，在0.1～0.5毫米范围内，所以可以认为摆杆2相对于待加工薄膜电极做一定频率的机械振动，即石墨棒10相对于待加工薄膜电极11做一定频率的机械振动。
所述被动电弧发生电路由12～48V直流低压电源8、限流电阻12(4～8欧姆)、被动升压电感9(3～5mH)三部分组成，如图2所示。其中，被动升压电感9的一端连接石墨棒10，另一端连接直流低压电流8的正极；限流电阻12的一端连接薄膜电极11，另一端连接直流低压电源8的负极；石墨棒10由导电环5夹紧后竖直放置在薄膜电极11的上方。
在本发明所述的振动发生装置的驱动下，石墨棒10周期性的与薄膜电极11接触和分离。当石墨棒10与薄膜电极11接触时，被动电弧发生电路闭合，电流由直流低压电源8的正极端经由被动升压电感9、石墨棒10、薄膜电极11、限流电阻12流回直流低压电源8的负极端。在石墨棒10与薄膜电极11分离的瞬间被动电弧发生电路被断路，由于被动升压电感9维持自身流过电流不变的趋势，被动升压电感9的两端将产生高电压以维持电流(该高电压随系统工作状态不同可以上升至500～1000V，并以被动升压电感与石墨棒的连接端为高电压端)。在电路断开的情况下，维持的电流将在石墨棒10上造成电荷的大量积累，形成石墨棒10-空气-薄膜电极11的电容结构，并且此时积累的电荷将使石墨棒端产生很高的电压。又因为石墨棒10刚与薄膜电极11分离，二者间距离极小(约为0.1～0.3mm)，积累的电荷形成的高电压会击穿空气形成电弧放电。电弧放电会产生高速运动的粒子，这些粒子包括在放电过程中产生的正负离子、电子，也包括被这些带电粒子碰撞获得速度的分子、原子，其中一部分粒子(包括所有运动速度较高，运动方向指向石墨棒的粒子，主要是带负电的离子、电子、由于被碰撞获得速度的中性分子和原子)高速撞向石墨棒10，同时会有一部分带有正电荷的粒子(如失去电子的原子形成的阳离子、带有正电荷的破碎分子等)和朝向铝箔运动的中性原子和分子撞向薄膜电极。电弧放电会在极短的时间内释放能量，在放电最初的阶段这部分能量主要集中在石墨棒10与薄膜电极11之间空间的气体分子内，主要体现为分子内能的增加即物理温度升高。温度升高与间隙内粒子的高速运动的共同作用会造成石墨棒10与薄膜电极11之间出现瞬间的低真空状态，这种低真空状态是镶嵌发生的重要条件。石墨棒受高能粒子轰击会使表层的石墨颗粒脱落，其中一部分石墨颗粒在粒子碰撞与电场的作用下会获得足够的动能高速撞向薄膜电极11。撞向薄膜电极11的石墨颗粒会改变薄膜电极的表面状态并附着在薄膜电极表面上形成石墨颗粒的镶嵌。在振动发生装置的驱动下反复重复这一过程就可以不断向薄膜电极镶嵌石墨颗粒。
通过上述技术方案所达到的有益效果：
1.简化和缩小了薄膜电极表面石墨镶嵌加工所需设备，相比于现有技术，设备结构简单、体积小，从而极大地提高了生产速度与加工质量，使薄膜电极极片改性的大规模生产成为可能；
2.通过实现精确可控的薄膜电极极片改性加工提高二次电池、超级电容等器件的性能；
3.本技术方案实现了在一般生产环境(常温、常压、常湿)下的薄膜电极表面石墨嵌入，节约了能源、节省了设备成本。
4.使用主动电磁激励的方式产生机械振动，控制精确方便；
附图说明
图1：本发明的振动发生装置结构示意图；
图2：本发明的被动电弧发生电路结构示意图；
如图所示，各部分名称为：基础背板1、摆杆2、连接轴3、右电磁铁4、导电环5、左电磁铁6、软磁铁片7、低压直流电源8、被动升压电感9、石墨棒10、薄膜电极11、限流电阻12。
具体实施方式
实施例1：
一种电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头，包括振动发生装置与被动电弧发生电路两部分。振动发生装置由基础背板1、摆杆2、连接轴3、左电磁铁6、右电磁铁4、导电环5和软磁铁片7组成，如图1所示。
其中两电磁铁参数相同，为线圈100匝，漆包线直径0.2mm，电感值400uH,阻值约1.5欧姆；导电环参数为内径1cm；软磁铁片长410cm，宽1cm，厚2mm；基础背板为3mm厚铝合金板材，长6cm，宽4.5cm。
其中基础背板1用来固定连接轴3、左电磁铁6和右电磁铁4，两电磁铁通过螺栓固定在基础背板1上。导电环5安装在摆杆2的底端，其中导电环是经过表面抗氧化处理的中空铜环，摆杆2是使用硬质软磁铁合金材料制成的1.5mm厚、110mm长、7mm宽的薄钢条。软磁贴片7采用焊接的方法固定安装在摆杆2的中部。连接轴3是一个顶端带有螺纹、而其他部分光滑的细杆，直径6mm，长12mm。连接轴3没有螺纹的一端与基础背板1焊接固定，连接轴3穿过摆杆2且光滑部分与摆杆2相接触，连接轴3带有螺纹的一端用于安装螺母，以防止摆杆2从连接轴3上滑落，这样摆杆2就可以绕连接轴3自由摆动，从而形成相对基础背板1的摆动；软磁铁片7固定安装在摆杆2上，并且垂直于左、右电磁铁产生的铁芯方向放置；导电环5的直径尺寸恰好使其能够夹紧石墨棒10，石墨棒10的直径为0.95cm，长度为10cm。
所述左电磁铁6与右电磁铁4是两个带有铁芯的电磁铁，当系统工作时，交替给左、右电磁铁通以100Hz频率的直流电(即在每个周期内先对一个电磁铁通直流电，0.005秒后停止；然后再对另一个电磁铁通直流电，0.005秒后停止，电磁铁两端电压范围1～2V)，从而使得两个电磁铁交替产生磁场，电磁铁可以提供5N左右的吸力，从而交替地吸引软磁铁片7，也就实现了带动摆杆2以及与之刚性连接的导电环5的左右摆动。由于系统工作时基础背板1相对于待加工的薄膜电极(0.2微米厚、12厘米宽，长度不受限制的金属箔)静止，并且摆杆2的摆动幅度较小，可以在0.3毫米范围内摆动，所以可以认为摆杆2相对于待加工薄膜电极11做一定频率的机械振动。
所述被动电弧发生电路由24V直流低压电源8(具有6A、150W输出能力的一般开关电源)、限流电阻12欧姆、被动升压电感9mH三部分组成，如图2所示。其中，被动升压电感9的一端连接石墨棒10，另一端连接直流低压电流8的正极；限流电阻12的一端连接薄膜电极11，另一端连接直流低压电源8的负极；石墨棒10由导电环5夹紧后竖直放置在薄膜电极11的上方。在本发明所述的振动发生装置的驱动下，石墨棒10周期性的与薄膜电极11接触和分离。当石墨棒10与薄膜电极11接触时，被动电弧发生电路闭合，电流由直流低压电源8的正极端经由被动升压电感9、石墨棒10、薄膜电极11、限流电阻12流回直流低压电源8的负极端。在石墨棒10与薄膜电极11分离的瞬间电路被断路，由于被动升压电感9维持自身流过电流不变的趋势，被动升压电感9的两端将产生高电压以维持电流(该高电压随系统工作状态不同可以上升至500V左右)，并以电感靠近石墨棒端为高电压端。在电路断开的情况下，维持的电流将在石墨棒10上造成电荷的大量积累，形成石墨棒10-空气-薄膜电极11的电容结构，并且此时积累的电荷将使石墨棒端产生很高的电压。又因为石墨棒10刚与薄膜电极11分离，二者间距离极小(0.2mm左右)，积累的电荷形成的高电压会击穿空气形成电弧放电。
在装置装配上，需要保持石墨棒与待加工薄膜电极之间的位置满足一下要求：1)在石墨棒被带动振动时可以保证石墨棒与薄膜电极周期地接触与分离；2)石墨棒振动不会被薄膜电极严重阻碍且不会损坏薄膜电极。一般实现这两部分要求只需保证石墨棒在最低端与薄膜电极刚好接触良好即可。
进一步的，电弧放电会产生高速运动的粒子，其中一部分粒子高速撞向石墨棒。石墨晶体受高能粒子轰击会使表层的石墨颗粒脱落，其中一部分石墨颗粒在粒子碰撞与电场的作用下会获得足够的动能高速撞向薄膜电极。撞向薄膜电极的石墨颗粒会改变薄膜电极的表面状态并附着在薄膜电极表面上形成石墨颗粒的镶嵌。在振动发生装置的驱动下重复这一过程就可以不断向薄膜电极镶嵌石墨颗粒。在本例所述装置及工作参数下，镶嵌的石墨颗粒占电极表面的75％，镶嵌效率50cm2/min。

Claims (1)

1.电磁驱动式石墨电弧溅射镶嵌探头，其特征在于：是由振动发生装置与被动电弧发生电路两部分组成；振动发生装置由基础背板(1)、摆杆(2)、连接轴(3)、左电磁铁(6)、右电磁铁(4)、导电环(5)和软磁铁片(7)组成，基础背板(1)用来固定连接轴(3)、左电磁铁(6)和右电磁铁(4)，摆杆(2)安装在连接轴(3)上，用以夹持石墨棒(10)的导电环(5)安装在摆杆(2)的底端，软磁贴片(7)安装在摆杆(2)的中部，并且垂直于左、右电磁铁的铁芯方向放置；被动电弧发生电路由直流低压电源(8)、限流电阻(12)、被动升压电感(9)三部分组成，被动升压电感(9)的一端连接石墨棒(10)，另一端连接直流低压电流(8)的正极；限流电阻(12)的一端连接薄膜电极(11)，另一端连接直流低压电源(8)的负极；石墨棒(10)由导电环5夹持后竖直放置在薄膜电极(11)的上方，石墨棒(10)距薄膜电极(11)的距离为0.1～0.3mm；
所述的连接轴(3)是一个顶端带有螺纹、而其他部分光滑的细杆，连接轴(3)没有螺纹的一端与基础背板( 1) 固定连接，连接轴(3)穿过摆杆(2)且光滑部分与摆杆(2)相接触，连接轴(3)带有螺纹的一端用于安装螺母，以防止摆杆(2)从连接轴(3)上滑落；
所述的导电环(5)用以夹持石墨棒(10)，导电环(5)是经过表面抗氧化处理的中空铜环，石墨棒(10)的直径为1mm～10mm，长度在3～15cm范围内；导电环(5)的直径比石墨棒(10)的直径大0.03～0.1mm；
所述的直流低压电源(8)的电压幅值为12～48V、限流电阻(12)的阻值为4～8欧姆、被动升压电感(9)的电感值为3～5mH。
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