直流击穿强度试验仪对绝缘材料的研究

1、概述：

    高储能密度复合绝缘材料在电力系统、脉冲功率技术中有着广泛的应用需求 。在脉冲功率技术中由于储能元件的储能密度低, 限制了高功率脉冲电 源的小型化和实用化 。实现储能元件的小型化和轻量化, 改善材料的储能密度是关键 。目前, 在大多数 场合下所用材料的储能密度与高功率脉冲电源从实验室走向实用的要求还有相当的距离。 高功率窄脉冲平台中 Blumlein 线( 脉冲形成线) 是一个关键储能和脉冲形成部件。它的长度与储能绝缘介质的介电常数和磁导率相关, 厚度主要受材料的绝缘性能影响 。脉冲电源输出电压脉宽( τ) 由 Blumlein 线材料的介电常数和磁导率决定, 即 :

    式中:L 为 Blumlein 线的长度, μ、ε分别为材料 的相对磁导率和相对介电常数, C 为光速。 

    可见, 要形成长脉冲, 材料的尺寸随之增加。以 脉宽 50ns 为例, 常用的油介质 Blumlein 线大约要 5m 长, 严重限制了系统的小型化 。如果材料相对介电 常数( 下文提到的介电常数均指相对介电常数) 大于 100, 击穿场强大于 400kV cm, 用这种材料制作的 Blumlein 线与用油介质的 Blumlein 线相比体积减小近十倍, 而且稳定性增强, 不需要附属设施, 这对脉 冲源的小型化 、实用化具有极其重要的意义, 但它对材料提出了苛刻要求。 

    一般情况下, 固体 Blumlein 线采用陶瓷材料, 但 陶瓷材料加工性差, 击穿场强低, 使它的应用受到限制。目前主要采用纳米技术改性陶瓷材料, 以增强 其加工特性和击穿强度来达到使用要求 。美国 Sandia 国家实验室、Missouri Rolla 大学等研究单位都 曾有相关的研究。采用高介电常数复合绝缘材料为解决这个难题提供了一种思路, 国内国外都有相关的研究。由于高储能材料在脉冲功率技术中的特殊应用, 国外的相关报道比较谨慎, 对材料的成分、制备方法 、机理 、测量条件等没有详细的介绍。 美国的 Pennsylvania State 大学材料研究实验室在办公室的支持下开展高储能密度复合材料的研究 , 他们将瓷粉( 平均直径 0.5μm) 与偏氟乙烯、三 氟乙烯的共聚物溶于甲乙酮溶液, 混合后, 固化制得 介电常数 ε=250, 击穿场强 E =为1.2 MV cm( 在几 十 μm 厚度的薄膜上测得) 的复合材料, 但在厚尺寸 下其击穿强度却大幅度下降, 而且制造困难, 不适用 于固体 Blumlein 线 。国内西安交通大学 、上海交通 大学等单位也研究过相关高介电常数复合绝缘材料 , 研究表 明, 在 聚乙烯中加入60 %以上的BaTiO3 ( 钛酸钡) 微粒( 微米级) , 复合材料的介电常 数大于 20 ;同时加入 20 %铝粉和 40 %BaTiO3 微粒, 复合材料的介电常数可达到 40, 但其击穿场强只有 几十 kV cm 。目前主要进行对各种复合材料体系的 特性及其体系间相互作用机理的研究, 但由于材料 的复杂性, 还没有统一的理论解释和指导, 亟待进一 步深入的研究。 固体 Blumlein 线的研究工作已经展开许多年, 传输理论比较清楚 , 但是由于材料的限制, 它的应用还不能推广, 随着脉冲功率技术民用化的进程的发展, 其研究的需求日益迫切 。针对这一需求, 我们展开了高密度储能聚合物复合绝缘材料的研究工作。

2、高储能密度聚合物复合绝缘材料的试验：

实验原材料：

    在高分子聚合物材料中, 聚酰亚胺( PI) 的优良性能, 不仅表现在耐热、耐寒特性, 具有良好 的介电特性, 并且容易实现分子结构的优化设计, 满 足不同的性能要求。我们选择聚酰亚胺作为基体树 脂, 具有高介电常数的 BaTiO3 系陶瓷粉体作为无机 添加剂, 采取合理的工艺制备复合材料 。 

    所用原材料 :聚酰亚胺树脂 KH304, 由中国科学 院化学研究所提供 。BaTiO3 系粉体 :B 粉和 F 粉两 种, 相对介电常数分别为:2000 和 12000 ;由西安交 通大学电气设备与电气绝缘国家重点实验室提供 。

聚酰亚胺-陶瓷复合材料的制：

高介电常数聚酰亚胺复合材料的制备过程示意 图, 见图 1 。

    对不同介电常数的 B 、F 的 BaTiO3 微粒, 分别以 30%、50%、65%、80%的含量加入聚酰亚胺基体制得试 样分组为:A ( 0 %) ;加入 B 粉分别为 A1( 35%) 、A2 (50%) 、A3( 65 %) 、A4 ( 80%) ;加 入 F 粉分别为 B1 (35 %) 、B2( 50%) 、B3(65%) 、B4( 80 %) ;每组试样三个。

性能测试

直流击穿强度

    直流实验采用倍压整流电路, 试验电压 0 ～ 1.3 ×105V 。最高可输出 1.3 ×105V 直流高压 。样品上 的电压由静电电压表来测量, 量程最高可达 100kV 。 试验采用不对称电极系统, 高压电极为 25 的圆柱 铜电极, 接地电极为 75 的圆台铜电极, 试验采用 快速升压法。快速升压是指电压从零上升到击穿电 压所经历的时间, 约为 10 ～ 20s, 施加最高电压 100kV 。

    试验数据见表 1, 所测的数据有分散性, 但从整 体来看这批试样还是成功的, 有的试样击穿场强超 过了 400kV cm 。

介电常数与介质损耗角正切：

    相对介电常数和介质损耗角正切测量采用 ZJD-C介电常数介质损耗测试仪。分别在 1kHz 、10kHz 、 100kHz 和 1000kHz 进 行 了 测 量, 实 验 结 果 见 图 2 ～ 5 。 可以看出, A 组试样与 B 组试样的介电常数相 差不是很大 。在 1kHz ～ 1000kHz 频率范围内, 材料 的介电常数略有减小, 变化不大, 而损耗随频率增加 而增加;BaTiO3 含量变大, 复合材料的介电常数明显 提高, 介质损耗角正切趋向增加;加入F 粉体的复合 物介电常数略大于加入 B 粉体的复合物, 损耗的规 律不明显。试验结果基本符合规律[ 12] 。 A 组试样 与 B 组试样所加入的 BaTiO3 粉体介电常数相差 6 倍, 但复合材料的介电常数增加却不出现这种结果, 这可能是由于高介电常数陶瓷在粉碎成为粉体的过 程中无法保持其高介电常数特性 。

电阻率：

    电阻率用ZST-121型高阻计测量, 加 1000V 电压。 实验结果如图 6 所示 。A 组试样的电阻率略高于 B 组, 说明复合材料介电常数提高, 即电容提高, 会引 起材料电阻的降低 。因为高介电常数意味着容易极化, 直接影响材料的导电能力 。

结论

    试验结果表明, 复合材料的绝缘强度优良, 有的击穿场强超过了 400kV cm 。在 1kHz ～ 1000kHz 频率范围内, 材料的介电常数随着频率的提高略有减小, 变化不大, 而损耗随频率增加而增加;BaTiO3 含量增 大, 复合材料的介电常数明显提高, 介质损耗角正切趋向增加 ;加入 F 粉体的复合物介电常数略大于加 入 B 粉体的复合物。加入BaTiO3 会减小材料的电 阻率 。

    初步的研究结果表明目前试样的性能与应用需求还有一定的距离, 但通过进一步对基体材料的分子结构设计、优化和调整 、陶瓷粉体微粒的细化和工艺变化等方法, 复合材料的参数还可以进一步提高。 同时, 还可能通过其它的方法来达到固体Blumlein 线的要求, 如在聚合物中加入磁性材料粉末, 适当地提高材料的磁导率等, 我们将进行进一步实验研究工作 。