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對固體絕緣材料的電氣強度及電氣性能分析研究
對固體絕緣材料的電氣強度及電氣性能分析研究
擊穿性能不僅是聚合物絕緣電介質(zhì)材料的最基本的要求?還是聚合物絕緣材料的一個重要參數(shù)?是提高絕緣材料的電氣強度的最為重要的研究任務(wù)之一。通過對聚合物絕緣材料擊穿性能的研究?可以更深入的了解聚合物復(fù)合材料的電氣性能?從而為開發(fā)新的絕緣復(fù)合材料、提高材料的電絕緣性、耐老化性和穩(wěn)定性、設(shè)計更合理的絕緣材料的結(jié)構(gòu)等奠定一定的實驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
聚合物大都具有較優(yōu)異的絕緣性能?已經(jīng)被廣泛的用作電氣絕緣材料?在電氣絕緣材料領(lǐng)域，聚合物作為絕緣材料已經(jīng)起著及其重要的作用。而電力設(shè)備和電子器件的發(fā)展也對絕緣材料提出了各種新的要求?例如?要求設(shè)備的體積越來越小?能夠耐受的電場強度越來越高?使用壽命要求越來越長?能夠長期耐受各種苛刻條件等?這就需要人們對許多新的問題去探索解決。
聚合物絕緣材料的擊穿現(xiàn)象是一個很復(fù)雜的過程?它的大小不僅依賴于聚合物絕緣材料的微觀結(jié)構(gòu)?電極材料、空間電荷分布、界面的幾何尺寸和理化特性以及其它因素電、熱、輻照、機械力、化學(xué)等對聚合物絕緣材料作用的影響也起到很大的作用。目前?許多研究人員聚合物電介質(zhì)材料的擊穿性能進行了研究?對各種影響聚合物絕緣材料擊穿強度的因素進行了分析總結(jié)，并提出了各種擊穿理論。
曹曉瓏等人總結(jié)了聚合物擊穿機理研究的近期觀點?把凝聚態(tài)聚合物的擊穿按照發(fā)展過程分為長時擊穿和短時擊穿。短時擊穿即電子崩擊穿?其特征是它的擊穿強度具有負厚度和正溫度的關(guān)系?擊穿時延。等人所得到的實驗結(jié)果支持電子崩擊穿機理。這一過程是一種低溫下的純電子擊穿過程?自由體積為電子在電場下提供動能的條件?自由體積越大?電子平均自由程越長?碰撞后產(chǎn)生的電離概率越高?擊穿場強就越低。長時擊穿其代表是電老化擊穿。聚合物絕緣材料是由大量的各種陷阱組成的?其電子平均自由程很短?電子幾乎不可能在電場下將能量增加到可以激活具有很寬的禁帶的聚合物絕緣材料中的電子?因此?要使其產(chǎn)生擊穿?必須要為注入的電子提供足夠大的平均自由程?使其在電場中積累足夠的能量發(fā)生碰撞電離。因此許多研究者認為對聚合物絕緣材料的擊穿來說?擊穿前在電極附近形成低密度區(qū)是必需的?等人對這一低密度區(qū)的形成提出解釋?他們認為?從電極注入的電子平均自由程短?經(jīng)過幾次碰撞后很快落入陷阱中。被捕陷的電子一方面會在注入電極附近形成同極性的負電荷中心?由此形成的附加電場會減弱電子的注入率?另一方面由于捕陷?由高能態(tài)到低能態(tài)的能量差會以非輻射的方式轉(zhuǎn)移。對絕緣材料?這個能量高達?一方面會直接破壞陷阱處材料的結(jié)構(gòu)?另一方面轉(zhuǎn)移給其他電子?這個電子就具有足夠能量破壞聚合物中的化學(xué)鍵或者產(chǎn)生自由基?形成新的陷阱?這個過程會傳遞下去?直至低密度區(qū)的形成結(jié)束。除電子擊穿理論?等人還總結(jié)出其他擊穿理論?如熱擊穿理論?該理論把固體的擊穿分為穩(wěn)態(tài)熱擊穿、熱脈沖擊穿‘機械擊穿理論?這一理論把固體的擊穿歸因于電動機械擊穿二次效應(yīng)?由電動電荷等導(dǎo)致的固體擊穿。燦將與復(fù)合?使得的擊穿場強發(fā)生改變?并得到了如下結(jié)論外加電場的不均勻性和材料的宏觀缺陷如材料有微孔或者摻雜了導(dǎo)電顆粒會使材料的擊穿場強降低聚合物絕緣材料的擊穿場強發(fā)生改變的原因有雜質(zhì)或者添加劑對聚合物形態(tài)的影響、聚合物材料擊穿前所形成的空間電荷對材料的內(nèi)部電場的影響?還與電子或離子在電場的作用下獲得足夠能量所引起的電介質(zhì)損害有緊密聯(lián)系。當(dāng)聚合物絕緣材料與無機納米粒子復(fù)合時?由于納米粒子在納米尺寸范圍內(nèi)顯示出的量子化效應(yīng)?納米粒子可能先占據(jù)基體中自由體積的部分和尺寸較大的陷阱。這樣會降低自由體積的數(shù)量?并將深陷阱轉(zhuǎn)化為較多的淺陷阱?這樣使得電子能量的積聚的概率和效果產(chǎn)生影響?使得材料的電老化性得到改觀。
從表一中可以看出?微米與納米兩種填料共填充硅橡膠復(fù)合材料的體積電阻率仍然保持在巧幾的數(shù)量級?即幾?仍然復(fù)合絕緣子使用的要求而擊穿場強的平均值均相對于單組份填料填充硅橡膠復(fù)合材料的擊穿場強高?這一方面是因為微納共添硅橡膠使得硅橡膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)更加緊密?而微米一納米共填充的硅橡膠復(fù)合材料的擊穿場強顯著高于納米氧化鋁復(fù)合硅橡膠的擊穿場強?這是因為納米粒子可能先占據(jù)基體中自由體積的部分和尺寸較大的陷阱?這樣會降低自由體積的數(shù)量?并將深陷阱轉(zhuǎn)化為較多的淺陷阱?這樣使得電子能量的積聚的概率和效果產(chǎn)生影響?使得復(fù)合材料的電氣絕緣性得到改觀?同時提高了電絕緣性能的穩(wěn)定程度。
