复合材料电压击穿强度试验分析

电压击穿强度分析：

表2-5给出的是利用ZJC-50KV电压击穿试验仪测得的2#16#Ni/BaTi03/PVI}F三相复合材料试样的击穿电压、对应试样厚度以及计算所得的电压击穿强度。

其中，电压击穿强度＝击穿电压/试样厚度：

本实验利用weibull分布对表2-5中所示试样的击穿电压测试原始数据进行分析，Weibull分布反映的是电场强度一定的情况下材料发生击穿的概率，两参数的Weibull

分布表达式如式(2-2)所示:

变形后可变成:

Logy-ln(1-p)卢LogE在直角坐标下成线性关系。式中p和Eo分别称为Weibull函数的形状参数和尺度参数，其中p反映了坐标系中直线斜率的大小，它的大..J:与材料试样的质量、制备工艺条件有关。p越大，表明测定的电压击穿强度数据分散性就越小，材料制备工艺越稳定，材料的质量越好。E。则反映了击穿概率为63.2%时电场强度的大小。2#^-16#组试样的电压击穿强度Weibull分布如图2-6，图2-7，图2-8所示，根据电压击穿强度Weibull分布图可以计算出试样所对应的p和Eop和Eo值详见表2-6。

从表2-6中数据来看，各组试样之间的形状参数p数值差别较大，这说明试样的制备工艺还不是太稳定，另外，试样内部结构的均匀性也存在差异。相对来说，BaTi03含量为lOv%的试样所表现出的p数值都比较大，这说明该BaTi03含量的Ni/BaTi03/PVDF三相复合材料内部结构比较均一，试样质量相对较好。

根据表2-6中所示的电压击穿强度数值，绘制了Ni/BaTi03/PVDF三相复合材料的电压击穿强度随BaTi03及Ni的含量变化曲线，如图2-9所示。从图中可以看出，该三相复合材料的电压击穿强度随着BaTi03含量的增加而显著降低，掺杂的BaTi03粉体在高压电场下首先被击穿，这是由BaTi03粉体低击穿的特性决定的。聚合物基体本身的电压击穿强度较高，约为80Kv/mm，这是因为聚合物基体材料内部存在大量的陷阱，电子在其内部迁移时容易被陷阱所捕获，从而形成稳定的空间电荷，不易发生击穿。当大量BaTi03粉体混入时，聚合物基体和BaTi03粉体之间会形成界面，这些界面彼此连接形成通道，通道处的电导率远大于聚合物基体材料的电导率，因此外电场下，电子会优先选择在电导率大的界面处通过，导致击穿容易发生。少量的BaTi03粉体会使聚合物的电压击穿强度增大，这是由于少量的BaTi03粉体添加到聚合物基体中时，聚合物基体和BaTi03粉体之间的界面数量少，不会连接形成通道，同时BaTi03粉体本身的体积会使聚合物基体产生一定程度的拉伸，这种拉伸会使聚合物基体中的陷阱增多加深，从而可以捕获更多的电子。基于此，图中Ni含量为Ow%.BaTi03含量为1Ov%的情况电压击穿强度表现出异常，电压击穿强度高达280KV/mm，远远高于同种情况下未掺杂BaTi03的复合材料。掺杂Ni粉体的复合材料之所以没有表现出这种低BaTi03含量高击穿的特例，可能是由于Ni粉体对复合材料的电压击穿强度影响更大，掩盖了低BaTi03含量所带来的影响。

从图2-9可以看出，Ni含量对复合材料电压击穿强度也有很大影响，其中含量为3w%时击穿最高，BaTi03含量为Ov%时电压击穿强度达到400Kv/mm，是纯PVDF的4倍左右;随着钦酸钡含量增加，电压击穿强度下降，但降低程度较小，最小值约为180kv/mm。这种现象可以利用导电颗粒在绝缘体中的表现出的库伦阻塞效应来进行解释。对于不含导体颗粒的复合材料，在强电场下复合材料导带中的电子会被加速并在加速运动过程中与晶格发生碰撞从而获得动能，如果电子获得的动能大于它在碰撞过程中损失给晶格的能量，那么电子具有的动能就会越来越大，进而碰撞电离产生更多的自由电子，自由电子会发生进一步的碰撞电离，如此下去，复合材料的电导进入不稳定阶段，击穿现象开始发生。如果复合材料中含有一定含量的纳米Ni粒子，均匀分散于聚合物基体中的纳米Ni粒子形成的隧穿结使电子逐个通过其间，对在一定电场下的电子的定向运动起到限制作用，表现出“库伦阻塞效应"，那么就不容易发生电子的加速碰撞进而电离现象，复合材料的电压击穿强度得到提高。但是如果Ni的含量太高，颗粒间距太小或者因为含量高发生团聚，宏观量子隧道效应将代替库伦阻塞效应占主导地位，削弱了库仑阻塞效应对电子的阻碍作用，此时电子可以穿越势垒从一个势阱进入另一势阱，体系的电压击穿强度下降，这也就解释了Ni含量为Sw%时复合材料电压击穿强度又下降的原因。