您好, 歡迎來(lái)到化工儀器網(wǎng)
電壓擊穿試驗(yàn)儀測(cè)試方法及擊穿理論
1 測(cè)試方法及擊穿理論
采用二電極系統(tǒng)測(cè)試試樣的工頻交流擊穿電壓，其上、下電極的直徑分別為 25mm、45mm。為防止電暈放電影響擊穿電壓的數(shù)值，將整個(gè)電極系統(tǒng)置于過(guò)濾干凈的變壓器油中，并用細(xì)砂紙對(duì)電極系統(tǒng)進(jìn)行打磨。旋轉(zhuǎn)升壓器提高電壓直至試樣擊穿，升壓速率為 1kV/s，記錄擊穿時(shí)的電壓值。
擊穿場(chǎng)強(qiáng)是表征材料絕緣性能的重要之指標(biāo)，定義為試樣發(fā)生擊穿時(shí)電壓與試樣厚度的距離之比，以 E 表示平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，計(jì)算公式如(4-1)所示。
式中：U 為擊穿電壓；d 為試樣厚度。
通過(guò)以上方法得到的擊穿數(shù)據(jù)有一定的離散性，為得到一個(gè)確切的數(shù)值表征材料的耐電壓強(qiáng)度，采用Weibull分布模型分析所得到的擊穿數(shù)據(jù)[，如式(4-2)所示。
式中：E 為測(cè)試試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；P(E)為試樣在該電場(chǎng)下的失效概率；γ 為形狀參數(shù)，表征該試樣擊穿數(shù)據(jù)的離散程度；E0為特征擊穿場(chǎng)強(qiáng)，即 P(E)=63.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)式(4-2)移項(xiàng)并取對(duì)數(shù)可得式(4-3)。
固體電介質(zhì)碰撞電離擊穿理論指出，在外電場(chǎng)的作用下，可遷移的電子在平均自由行程內(nèi)累積較高的能量，引起碰撞電離，是造成介質(zhì)擊穿的原因。依據(jù)前文對(duì)于電導(dǎo)的分析，外界場(chǎng)強(qiáng)較低、溫度較低時(shí)，復(fù)合材料電導(dǎo)以弱束縛離子離解和離子躍遷為主，由于離子體積大、平均自由行程短，載流子的定向移動(dòng)過(guò)程中獲得的動(dòng)能小，所引起的碰撞電離有限，無(wú)法解釋材料的擊穿現(xiàn)象。
復(fù)合材料發(fā)生碰撞電離擊穿有兩個(gè)必要條件，一是介質(zhì)內(nèi)有足夠多可遷移的初始電子，二是電子從外電場(chǎng)中獲得足夠的能量引發(fā)碰撞電離。本文研究的試樣具有高碳化硅含量的特性，禁帶比聚合物窄，試樣初始電子的來(lái)源有很大不同；而蒙脫土納米片層的界面區(qū)引入大量陷阱，對(duì)電子的自由行程產(chǎn)生影響。低場(chǎng)下，電子脫陷比較困難；高場(chǎng)下，電子有一定幾率通過(guò)隧道效應(yīng)穿越勢(shì)壘不損失能量，繼續(xù)在外場(chǎng)作用下累積動(dòng)能，引發(fā)碰撞電離，導(dǎo)致試樣擊穿。
2 擊穿特性分析
圖 4-1、4-2、4-3、4-4 分別為不同微納復(fù)合、不同碳化硅晶型、不同碳化硅含量、不同蒙脫土含量試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的 Weibull 曲線。
從測(cè)試結(jié)果中可以看出，EP/5M 比 EP 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)無(wú)明顯的變化，但蒙脫土的引入使復(fù)合材料的擊穿數(shù)據(jù)更加集中；EP/α3-S100、EP/β-S100 比 EP 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大幅下降，碳化硅的引入使基體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低，碳化硅含量越高，擊穿場(chǎng)強(qiáng)越低。EP/5M/α3-S100、EP/5M/β-S100 比 EP/α3-S100、EP/β-S100 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)上升，但仍未超過(guò) EP 試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，說(shuō)明蒙脫土的引入有助于提高復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，且擊穿數(shù)據(jù)更加集中；隨著蒙脫土含量的增加，復(fù)合材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)了先升高后降低的趨勢(shì)。
分析認(rèn)為，強(qiáng)場(chǎng)下因場(chǎng)致電子發(fā)射或熱電子發(fā)射使得介質(zhì)導(dǎo)帶內(nèi)存在一定數(shù)量的電子，晶格被電場(chǎng)中獲得能量加速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊產(chǎn)生振動(dòng)。晶格獲得能量振動(dòng)，電子失去能量動(dòng)能消失，當(dāng)兩者存在平衡關(guān)系時(shí)，復(fù)合材料具有穩(wěn)定的電導(dǎo)率。如前文中所敘述的相同；當(dāng)電子從電場(chǎng)獲得的能量遠(yuǎn)大于晶格獲得的能量時(shí)，電子與晶格作用后產(chǎn)生新的電子，介質(zhì)內(nèi)部電子數(shù)量迅速增加，試樣開(kāi)始發(fā)生擊穿。常溫下，碳化硅內(nèi)雜質(zhì)離子可離解產(chǎn)生電子到達(dá)晶粒的導(dǎo)帶，在外電場(chǎng)作用下獲得動(dòng)能并射入聚合物中。而常溫下聚合物需要更高的場(chǎng)強(qiáng)才能出現(xiàn)初始電子，即復(fù)合試樣因碳化硅的引入存在大量初始電子，使 SiC/EP復(fù)合試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比 EP 試樣低得多。
測(cè)試結(jié)果表明 EP/5M 試樣與 EP 試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)相近，但并不意味著蒙脫土對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有影響。蒙脫土加入到基體中，一方面蒙脫土?xí)腚s質(zhì)離解，提升初始電子的數(shù)量，降低擊穿強(qiáng)度；另一方面界面區(qū)的陷阱可捕獲電子降低初始電子的數(shù)量，從而提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)，這一點(diǎn)在高碳化硅含量試樣的擊穿實(shí)驗(yàn)中得到印證。碳化硅提供了大量初始電子，與之相比，蒙脫土引入的電子數(shù)量少，不占主導(dǎo)作用。此時(shí)界面區(qū)的陷阱捕獲電子，降低初始電子數(shù)量，導(dǎo)致電子的平均自由行程變小，電子在行程之間獲得的能量變低，無(wú)法在與晶格的碰撞過(guò)程中產(chǎn)生新的電子，使得 SiC/MMT/EP 微納米復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比 SiC/EP 微米復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大。