通过击穿电压测试仪研究树脂复合材料的击穿特性

通过击穿电压测试仪研究树脂复合材料的击穿特性：

       研究发现，无机填料的添加会影响复合体系的击穿强度，添加颗粒的种类、形状、大小、表面处理及分散性是影响击穿场强的主要因素。M. Bell 将甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝到 SiO2纳米颗粒表面，引发原位聚合，制备出 SiO2 填充的环氧树脂复合材料，提高了复合材料的交流击穿场强。Z. B. Wang 等人研究了 EP/纳米 BN 导热复合材料的击穿强度，研究发现，与 BN 微米颗粒相比，填充 BN 纳米颗粒的环氧树脂具有更高的击穿强度，并分析了纳米和微米颗粒对电树枝生长的影响，认为纳米颗粒的添加抑制了电树枝的生长发展过程，而微米颗粒促进了这一过程的发展。纳米颗粒较高的介电常数并不能保证复合材料就有较高的击穿场强，较高的介电常数可能会造成界面处存在更大的电场畸变。Y. Wu 等人制备一元胺低聚倍半氧硅烷包覆的 BN 纳米颗粒，填充到环氧树脂基体中，复合材料的介电常数和击穿场强随着填充量的增加反

而下降。H. Tang 制备出的核壳结构的碳纳米管填充到环氧树脂基体中，复合材料的介电常数也表现出下降趋势。Z. Wang 制备出“三明治"结构的纳米 Al2O3 填充的环氧树脂薄片，每层中 Al2O3 纳米颗粒的填充量不同，研究发现最外层填充质量分数 70 wt%，中间层纳米颗粒填充质量分数 3 wt%时，复合薄片导热上升至 0.447 W/(m·K)，复合薄片的击穿场强升高至 68.5 kV/mm，与纯环氧树脂相比增强了 6.3%。

        西安交通大学对环氧树脂的绝缘特性方面研究较多。张乔根等人把 Al2O3 填充到环氧树脂，研究准均匀电场和极不均匀电场下的沿面绝缘特性和烧蚀特性，发现 Al2O3的填充质量分数达到 250 wt%以上后，绝缘子短时闪络特性和长时耐压特性方面都具有较好的沿面电气强度。改为 SiO2填料，发现 SiO2 在短时加压和长期耐压实验中，具有更优良的绝缘特性。此外，张乔根等人探讨了 Al2O3 掺杂环氧树脂绝缘材料在SF6 气体中的直流沿面闪络特性，分析了沿面放电中虫孔的形成及其对闪络过程的影响，发现 Al2O3 和环氧树脂的质量比为 3.5:1 时，环氧树脂表面闪络通道中存在明显的虫孔。郑晓泉等人研究了填充氧化锌(ZnO)的环氧树脂复合材料的击穿特性，发现 ZnO/环氧树脂复合材料具有优良的非线性电导特性，填料含量为 5 wt%的试样直流击穿强度最高，且其击穿强度分散性较小。

       吴锴等人研究对比了纯环氧树脂和环氧树脂/纸复合材料的击穿及空间电荷特性，深入探讨了加入绝缘纸对环氧树脂空间电荷的影响极其破坏机理。研究发现，在交流电场下，环氧/纸复合材料的击穿电压比纯环氧树脂低；而在直流电场下，环氧/纸复合材料的击穿电压比纯环氧树脂高。通过实验和仿真计算的方法研究了环氧树脂及SiO2/环氧树脂复合材料的电荷迁移过程，指出填充 3 wt%的 SiO2 纳米颗粒之后，高压电极附近的载流子溢出能力增强使得环氧树脂的空间电荷积聚受到抑制，仿真计算得出高温电极附近的空间电荷的量级高于低温电极，复合材料空间电荷的迁移率在20~80 °C 范围内不会随着温度的升高而上升。

       李盛涛等人研究了 SiC/环氧树脂高压直流下的等温表面电位衰减特性，表明正电荷的衰减速率远大于负电荷的衰减速率，填充量增加到 10 wt%的复合材料的电位衰减速率大于纯环氧树脂。后继研究了环氧树脂及 Al2O3 填充质量分数为 68.3 wt%的环氧树脂复合材料的介电松弛特性。环氧树脂的介电松弛强度随温度的倒数增大而增强，介电松弛反应了环氧树脂分子链或支链的运动能力，通过 Volgel-Fulcher-Tammann(VFT)方程验证了复合材料的玻璃化转变温度与 DSC 曲线测试的玻璃化转变温度基本保持一致。并从电晕充电、表面电荷沉积和脱陷、介质体内的单极性电荷输运等 3 个物理过程出发讨论了环氧树脂表面电位衰减原理。进行了 Mg O/环氧树脂的表面电痕放电实验，根据表面电树的分布情况将电痕区域分为三个区间，区间 A 靠近高压电极，碳化较轻；区间 B 直接连接正负极电极，呈现平行的放电痕迹；区间 C 指环形的放电通道，放电痕迹错综复杂。添加 MgO 质量分数为 10 wt%，放电痕迹变得细小而密集，相对电痕指数升高。制备了 TiO2/环氧树脂复合材料，测试沿面闪络电压发现复合材料的直流沿面闪络电压比纯环氧树脂较高，添加少量 TiO2增加了深陷阱密度含量，表面电导率下降是导致闪络电压升高的主要原因。随着填充量的增加闪络电压先升高后降低，复合材料的闪络电压与界面区域的势垒有关。

       徐阳等人研究了不同外施工频电压下环氧树脂绝缘中的电树枝结构、生长的特性，实验结果表明在同一电压下，环氧树脂中电树枝的生长速度基本为恒定值，随外施电压的升高，电树枝分枝变少，生长速度基本呈指数增加。研究了填充多孔 SiO2 的环氧树脂复合材料的介电特性，填充 0.3 wt%的复合材料的交流击穿电压升高了 73%，50 Hz 频率下的常温介电常数比纯环氧树脂较低。

        李建英等人研究了纳米 MgO 对环氧树脂介电性能的影响，复合材料的电气强度随掺杂量的增加呈先上升后下降的趋势，当掺杂量为 1 wt%时，电气强度达到最大值，相比纯环氧树脂提高了 11.2%。徐曼等人用辐照法制备了纳米银/环氧树脂复合材料，对复合材料的微观结构进行了表征，并对其电阻和击穿场强特性进行了研究。结果表明，纳米银含量合适时，这种复合材料表现出高于其基体的电阻率和击穿场强。

      张冠等人研究了金属微粒对绝缘材料真空沿面耐电性能的影响，指出金属微粒能够畸变其附近区域的局部电场，导致材料的沿面闪络电压随微粒粒径增大而降低。成永红等人研究了不同填料含量的 TiO2/环氧树脂复合材料的真空沿面闪络特性，复合材料的闪络电压随着闪络次数的增加显著降低。吕泽鹏研究了交流电压下玻璃态环氧树脂的电树枝的理论结构及发展趋势，电树枝的结构分为：细丝状电树枝和反向电树枝，细丝状的电树枝发展速率相对恒定，释放电荷量较小，代表绝缘材料的老化。反向电树枝主要在细丝状电树枝发展到接近地电极时产生，代表绝缘材料的降解过程。

     华北电力大学屠幼萍等人采用微米 SiO2/EP、纳米 SiO2/EP 和纳米 Ti O2/EP 涂层涂覆在环氧树脂基体表面，在 0.1 MPa 下的空气和 SF6中进行了直流闪络实验，实验发现含微米 SiO2涂层的试样中，微粒质量分数为 3 wt%的试样的短时闪络电压最高，含有纳米 SiO2和纳米 TiO2 涂层的试样中，微粒质量分数均为 1 wt%的试样的短时闪络电压最高。研究了 TiO2涂层的环氧树脂复合材料的表面电荷的动态变化特性，发现表面涂层中 TiO2的质量分数低于 3 wt%时，表面电荷主要积聚在高压电极附近，当涂层的 TiO2质量分数超过 5 wt%时，表面电荷主要积聚在地电极，切向电场方向表面电荷消散速率较快。谢庆等人通过实验研究了环氧树脂在真空及空气中的直流沿面闪络特性，结果表明环氧树脂在真空中闪络受固体绝缘介质的影响大于空气闪络；在脉冲电压幅值为 18 kV、频率为 100 Hz、电极间距为 10 mm 的情况下，对环氧树脂表面进行沿面放电老化处理，对不同放电老化时间下的表面形貌、粗糙度及水接触角进行测量，分析了放电对材料表面老化的影响，结果表明，放电老化后环氧树脂表面疏松，且有大量的突起颗粒形成。表面闪络电压随老化时间出现先降低后升高的现象。丁立健等人构建了绝缘子沿面闪络模型，研究了冲击电压的大小、次数与绝缘子表面电荷分布的关系，解释了沿面放电的发展过程。

       中国科学院邵涛等人采用等离子体射流技术在环氧树脂表面沉积 SiOx薄膜，改性后的环氧树脂表面电导率升高了 2~3 个数量级，表面电荷初始积聚量减少，闪络电压由未处理的-6.5 kV 提升至-9.3 kV。研究了表面电荷积聚对环氧树脂直流沿面闪络特性的影响，表明常温等离子射流方法可以抑制表面电荷的积聚，而沿面闪络电压的极性与表面电荷的极性相同的情况下，沿面闪络电压大幅下降。严萍等人采用放电等离子体、离子注入、表面直接氟化的方法对环氧复合绝缘样品进行处理，研究认为采用表面直接氟化处理的环氧树脂的样品闪络电压有所提高，而放电等离子体和离子注入方法在提高环氧树脂沿面闪络电压方面表现不明显。

       同济大学安振连等人使用氟/氮混合气在反应釜中对环氧样片进行表面氟化处理，研究结果表明氟化改变了试样表层的组分和结构、从而导致其表面电导率显著增大。进行了 SF6气体中的环氧树脂沿面放电实验，发现表面氟化后的环氧树脂的交流沿面闪络电压略有上升。增加固体绝缘材料的表面电导率能够改善其闪络特性。对氟化后的环氧树脂进行电晕放电实验，发现不会产生环氧树脂有关的挥发性或可溶性产物，表明氟化后的环氧树脂具有较高的抑制电晕放电的作用。

       重庆大学王有元等人研究了不同 AlN 质量分数对 AlN/环氧树脂复合材料绝缘性能的影响，发现当纳米 AlN 颗粒质量分数为 3 wt%时，AlN/环氧树脂复合材料的交流击穿电场强度最大。吕程研究了 AlN 含量（5 wt%~20 wt%）对复合材料导热系数、工频击穿场强、相对介电常数、介质损耗角正切值和体积电阻率的影响。结果表明：复合材料的工频击穿场强和体积电阻率随 AlN 含量的增加而减小，在 10-2~10-7 Hz 范围内介电常数和介质损耗角正切值都随 AlN 含量的增加而变大。李剑等人研究了表层氟化对环氧树脂负极性直流闪络特性的影响。结果表明：氟化修饰对极不均匀电场下的闪络场强提升效果更为明显。电极间隙 10 mm 时，氟化 15、30 和 60 min 使环氧树脂在极不均匀电场中的闪络场强分别增加 16%、34%和 47%，而在准均匀电场中的闪络场强增加幅度仅分别为 9%、15%和 22%。司马文霞研究了直流电场下铜微粒粒径和位置对环氧树脂沿面闪络电压的影响规律，研究结果表明：附着铜微粒会显著降低环氧树脂沿面闪络电压，铜微粒紧贴高压电极表面时，沿面闪络电压随铜微粒粒径的增加而下降，铜微粒与电极间距越小，沿面闪络电压下降越明显。

       天津大学杜伯学等人指出兼具高导热、优异绝缘性能的环氧树脂复合材料未来的发展方向。研究了交流和脉冲电压下环氧树脂表面电荷的积聚现象，发现同时施加交流和正极性脉冲后，样片起始表面电势随脉冲幅值的增大由负极性转变为正极性。研究了环氧树脂/SiC 复合材料的沿面闪络特性，填充体积分数为 14 vol%的复合材料的表面电荷消散能力和沿面闪络电压得到改善，随着温度升高复合材料的沿面闪络电压降低。采用电子束辐射对环氧树脂复合材料处理后，环氧树脂局部放电腐蚀深度显著降低，材料的玻璃化转变温度升高，介电常数下降，电子束辐射能够提高环氧树脂的交联密度，添加 Al2O3纳米颗粒之后复合材料的局部放电腐蚀深度降低。研究了 TiO2掺杂后的环氧树脂复合材料的表面电荷动态过程，研究表明：纳米 TiO2颗粒会减缓环氧树脂表面电荷消散的速度，6 wt%纳米复合试样电荷消散最慢；表层氟化处理可以加速电荷消散速度，所以可以通过表层氟化处理来弥补纳米颗粒加入后对环氧树脂绝缘性能所带来的不利影响，进而讨论了交流与脉冲电压联合作用下环氧树脂表面电荷的动态特性。肖萌制备了环氧树脂/BN/SiC 复合材料，固化过程中采用直流和交流电场诱导纳米颗粒极化取向，BN 和 SiC 的填充质量分数分别为 25 wt%、5 wt%，复合材料的电导率得到提高，但电荷消散速率与纯环氧树脂相比降低。

       清华大学何金良等人研究了 Al2O3/环氧树脂氟化后的直流电气特性，微米 Al2O3 填充质量是环氧树脂质量的 3.3 倍，填充 Al2O3 后的复合材料的表面电导率和表面粗糙度升高，从而提高了复合材料的沿面闪络电压。梁曦东研究了环氧树脂绝缘子在不同温度下的表面电荷消散规律，利用针板电极加压后测试表面电位，表明环氧树脂材料的表面电阻率越大，表面电荷沿表面消散的速率就越小，绝缘子表面积聚的电荷也就越多，使得电场畸变的程度也越大。张贵新等人制备了 C60/环氧树脂复合材料，发现添加 200 ppm 的 C60 可以显著降低复合材料的体积电导率，有助于提高环氧树脂复合材料在直流电压下的沿面闪络特性。

       上海交通大学江平开等人研究了纯环氧树脂和环氧树脂/片状 BN 导热复合材料的介电常数及交流击穿场强，发现片状的 BN 材料与 EP 之间存在较强的界面作用，提高了复合材料的击穿强度，纳米 BN 片能够抑制电树枝的生长。继而通过实验验证了填充碳纳米管、BaTiO3、纳米银能够显著提高复合材料的介电常数、击穿场强和导热系数。

      哈尔滨理工大学周文英研究了 CTPB(端羧基聚丁二烯)与 BN 二者一起填充的环氧树脂复合材料的电气特性，与 BN/环氧树脂复合材料相比，添加 CTPB 之后的复合材料表现出较低的介电常数、较高的电阻率和击穿场强。当 BN 填充量达到 40 wt%时复合材料的导热率为 0.8 W/m K。

      北京交通大学张腾制备了 AlN/环氧树脂复合材料，当填充量达到 40 wt%时，复合材料的沿面闪络电压与纯环氧树脂相比上升了 5%左右，实验发现沿面闪络电压的大小与环氧树脂的固化温度有关，沿面闪络电压随固化温度升高而降低。

总结：

环氧树脂复合材料的击穿特性研究现状得出：填充纳米颗粒后，复合材料的击穿场强普遍升高，但是不能排除可能出现击穿场强下降的情况，击穿场强受填料的填充量影响较大。纳米颗粒可以改变复合材料表面结构，促进表面电荷的消散，提高表面电导率，有利于提高复合材料的沿面放电电压。机理方面，纳米颗粒与有机物基体之间的相互作用是关注的重点，此方面仍缺乏深入的研究。