材料电气介电击穿强度的变化规律

       为探究材料的电气介电击穿强度随填料填充含量的变化规律，本论文将使用硅烷偶联剂处理过的70N,m, S},m和1.SN.m球形氧化铝按照6:2:2的质量比进行混合，构成高导热填料体系，再将其添加到硅橡胶基体中，制备出不同填料添加含量下的热界面复合材料样品，该样品呈圆形，其直径为100mm、厚度为2mm,如图1所示。实物连接图如图2所示。实验过程中需将待测的热界面复合材料、电极等浸泡在二甲基硅油中，以进一步抑制表面闪络的发生，减小实验误差。实验采用的测试标准为ASTM D149。

图1 样品图

图2 击穿试验实物连接图

       不同填料含量下的材料的交流电气介电击穿强度值如表1所示，变化趋势如图3所示。击穿后的复合材料样品如图4所示，样品上的黑色斑迹为击穿点。由图3可看出，复合材料的电气介电击穿强度随着填料填充含量的增大而下降。由表1可知:纯硅胶的电气介电击穿强度最大，为15.21kV/mm;填料的填充含量为70%时，电气介电击穿强度为13.89kV/mm，其值相比纯硅胶下降了8.7%;填料的填充含量为85%时，电气介电击穿强度为11.OlkV/mm，其值相比纯硅胶下降了27.6%;填料的填充含量达到95%时，电气介电击穿强度为8.58kV/mm，其值相比纯硅胶下降了43.6%。

表1不同粒径填充下材料交流电气介电击穿强度

图3不同填充含量下材料交流电气介电击穿强度变化趋势

       根据研究发现，可以按照以下模型思想对材料的电气介电击穿强度进行分析:填充型材料的多壳模型由紧密层、连接层、松散层和古依一查普曼双电层四个层次构成。其中紧密层为连接小颗粒无机填料和有机基体的部分;连接层可通过移动有机聚合物链影响固化后复合材料的分子结构;松散层的移动性强，与聚合物距离最远，受紧密层的影响最小;古依一查普曼双电层覆盖在以上三层之上。两个不同的物体相互接触时，由于其自由电子荷的浓度不同，在接触界面便会产生接触电势，两物体会产生电量相等、极性相反的电荷。在各种力场和热扩散的共同作用下电荷最终达到稳态且该电层在紧密层、连接层、松散层这三层之外。

       硅橡胶分子链上本身的缺陷会导致纯硅胶的电气介电击穿强度低于理想值。在硅橡胶中加入微米级无机填料，基体粘度增高，高导热填料体系在基体中分散性变差，制得的复合材料会出现内部存在气孔、裂纹、表面不平整等现象，从而引入除硅橡胶本身分子链缺陷以外更多的缺陷，导致复合材料的电气介电击穿强度变低。另外，由于微米级无机填料的引入可导致更多的起始电子，而起始电子移动容易，伴随电子之间的撞击，产生更多的电子，从而降低了电气介电击穿强度。因此，复合材料的电气介电击穿强度随着填料含量的增大而减小。

       为探究单一粒径填充下，材料电气介电击穿强度随氧化铝粒径的变化规律，分别将使用偶联剂处理过的70N,m, 20um和0.5um球形氧化铝填充到硅橡胶基体中，制得复合材料样品，其填料的填充含量均为77%。在相同的实验环境下测量不同样品的击穿电压，复合材料交流击穿场强的变化趋势如图5所示。

图5不同粒径填充下材料的交流电气介电击穿强度

       由图可知，复合材料的电气介电击穿强度随着填料粒径的增大而增大。氧化铝粒径为70um时，电气介电击穿强度最大，为11.07kV/mm氧化铝粒径为20um时，电气介电击穿强度为10.48kV/mm，其值相比粒径为70um时下降了5.3%}氧化铝粒径为O.Sum时，电气介电击穿强度为10.21kV/mm，其值相比粒径为70um时降了7.7% 。

       在相同填充含量下，填料的粒径越小，其分子颗粒数越多，无机填料与基体间的接触面积越大，粒子越不容易在基体中均匀分散，容易形成较多的气隙等缺陷，而击穿往往在这些比较脆弱的地方首先放生，导致击穿场强变小。因此，单一粒径填充下，复合材料的击穿场强随填料粒径的减小而减小。