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如果用球球电极测试复合材料工频交流下的击穿场强

更新时间:2022-09-19      点击次数:951

如果用球球电极测试复合材料工频交流下的击穿场强:

       导热特性的增强的同时不能降低绝缘材料的击穿场强,因此,工频电压下绝缘材料的击穿场强是验证绝缘材料实际工程运用价值的重要参数。按照章节 2.4.2 介绍的方法测试了球球电极下环氧树脂及其复合材料的击穿场强,样品厚度为 1 mm。取不同填充分数的样片各 10 片,测试工频交流下的击穿场强。

Weibull 分布函数为:

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式中 P 是电失效的累积概率,E 是每次实验测试的击穿场强,β 是形状参数,它决定着可能幂函数的形状,也就是通常所说的斜率参数,0E 是尺度参数,表示失效概率为 63.2%时的击穿场强,这个参数通常被用来比较不同样品的介电强度,P 根据下式的公式进行计算:


image.png

E 直按升序排列,i 代表 E 值的位数,n 表示每个样品的总测试量。

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       图 4.4 是工频下复合材料在球球电极下击穿场强的 Weibull 分布图。室温下,填充质量比为 0 wt%、7 wt%、15 wt%、25 wt%和 40 wt%的复合材料的 63.2%概率的击穿场强值为别为 11.41、12.40、12.50、12.92、13.51 kV/mm,其对应的 β 形状参数分别为7.46、8.36、8.87、10.14、10.8。在 Weibull 分布中,0E 和 β 分别代表特征击穿场强以及介电强度的分散因子,0E 值越大,表示击穿场强越高;β 越高表示击穿场强的离散性越小。从图中可以看出纯环氧树脂的 β 值较小,说明纯环氧树脂击穿场强的分散性最为严重,随着填充质量分数的增加,β 值逐步升高,击穿场强随之增大。

       与纯环氧树脂相比,质量分数为 40 wt%的复合材料的击穿场强增加了 18.4%。复合材料的击穿场强有达到饱和的趋势,表现为超过 63.2%概率的击穿场强的大小趋向集中。复合材料的击穿场强受到多种因素的影响,其中,纳米颗粒的分散度、平均尺寸和界面作用是主要的影响因素。在高压电场的作用下,复合材料内部颗粒与聚合物基体的界面处电场强度较高,随着电压的升高,介电损耗不断升高,界面处更多的空间电荷摆脱束缚,泄漏电流逐步增大,最终导致复合材料的击穿。对于纯环氧树脂来说,电树的发展取向性更明显,填充纳米颗粒有抑制电树发展的作用。纳米颗粒分布均匀性较高有助于提高复合材料击穿场强。图 2.9 复合材料横截面 SEM 图显示 SrTiO3纳米颗粒尺寸大小偏差不大且均匀分布在环氧树脂基底中。图 2.10 复合材料的 IR 光谱分析显示在复合材料内纳米颗粒与聚合物高分子之间存在较强的相互作用。因此,填充 SrTiO3纳米颗粒之后,复合材料的击穿场强总体上有所上升,击穿场强的最大值趋于稳定。

        填充型纳米复合材料的本征击穿是一个复杂的过程,量子力学表明,在强电场作用下,聚合物基体与纳米颗粒界面处的电场畸变较大,深陷阱的电子捕获能力消减;肖特基效应表明在强电场作用下,表面势垒会逐步降低,场发射电流密度会相应升高。与此同时,分子离解能也随着介电常数的升高而降低,电子碰撞电离增强,增加了发生雪崩击穿发生的可能性;同时,填充量较大时,复合材料内自由体积分数增加,离子载流子的电导活化能降低,因而在较强的电场作用下,离子迁移率增加,最终导致了复合材料的击穿。从图 4.4 可以看出,复合材料的击穿场强是随着填充质量比的增加而逐步增强的,进而证明了 EP/SrTiO3复合材料除了具有较高的导热率外,电气特性也得到了整体增强。

①  EP/SrTiO3与 Ba TiO3 复合材料击穿场强对比 

据文献报道,Ba TiO3填充的聚四氟乙烯(PVDF)复合材料运用于储能器件的研究中发现,103 Hz 频率下,填充体积分数为 10 vol%的复合材料的介电常数为 7 左右,但是复合材料的电导率在 103 Hz 频率下达到了 10-6 S/m 数量级,较高的电导率使得复合材料在 1 Hz 低频下产生较强的界面极化,因而 1 Hz 频率的介电常数达到了 100 左右,BaTiO3填充的聚四氟乙烯复合材料的击穿场强随着填充量的增加逐步下降。Ba TiO3与聚合物基体间的电性能差异,引发电场集中,在界面处产生较大的电场畸变,击穿场强的下降不利于绝缘材料在长期高温高电压下运行。

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