复合材料交流击穿强度、击穿电压测试及介电强度计算公式

复合材料交流击穿强度：

从实际应用的角度上考虑，电介质的击穿强度是一个非常重要的参数，特别是在高频高压场合下，绝缘材料必须具有一定的介电强度。

绝缘材料的击穿强度遵循Weibull分布。介电强度的Weibull分布可写为：

式中P是电失效的累积概率，E是每次实验时的测试击穿强度，β是形状因子，表示击穿强度的分散情况，E0是尺度参数，表示失效概率为63，2%时的击穿强度，这个参数通常被用来比较不同样品的介电强度。

P根据下述公式进行计算：

E值以升序排列，i代表E值的位次，n表示每个样品总的测试数目。

图1给出了纳米复合材料的介电强度的Weibull分布。根据图2，14可以看出，复合材料的介电强度与纳米颗粒的浓度有很大的关系。根据图2，14，在低颗粒浓度的情况下，纳米复合材料的介电强度有很大的降低。当颗粒的浓度超过12％并逐渐增加到32％，复合材料的介电强度不再发生很大的变化，只是随着纳米颗粒的增加而慢慢降低，这说明聚乙烯纳米铝复合材料在较高的金属含量时仍具有较高的介电强度，因此从应用的角度上具有潜在的价值。低浓度下的介电强度快速降低以及高浓度下介电强度的变化较小，说明在这些纳米复合材料中可能存在两种不同的击穿机理。

图1

当颗粒含量较低时，颗粒之间没有形成团簇，而是孤立的存在于聚合物基体中，这样，每个粒子周围的电场会发生很强的放大，纳米颗粒与聚合物基体之间可能会发生局部的击穿。在这种情况下，由于纳米颗粒的尺寸很小，尽管施加在样品上的电场强度不是很高，但纳米铝颗粒周围局部电场的增强足以超过聚乙烯的本征击穿强度，从而造成纳米铝颗粒的浓度越低，复合材料的介电强度降低越快。根据我们的观察，纳米铝含量为1％时，复合材料的失效概率为63，2％的击穿强度由纯聚乙烯的135，1kV/mm降低到103，4kV/mm。

聚合物纳米复合材料的介电强度的降低速率与纳米颗粒本身的性质及尺寸有关，金属颗粒的影响要远远大于电介质颗粒的影响。

随着纳米颗粒的含量进一步增加，颗粒的团聚趋势越来越明显，团簇的尺寸也越来越大，这样会造成电场的增强速率逐渐减弱，因而材料的介电强度降低的速率也越来越弱。当聚合物中的颗粒含量超过一定值后，颗粒团簇的尺寸变的很大以至于彼此互相靠近，样品上下表面就会形成桥联结构。根据上面的讨论，纳米铝氧化壳层的电阻率要低于聚乙烯的电阻率，桥联结构会造成放电。一旦上下表面中间有一条桥联结构发生放电，施加到复合材料其它地方的电应力就会降低。这是复合材料在较高纳米颗粒含量下仍具有较高的介电强度的原因之一。

假设不同纳米团簇的体积比较接近且电极形状是相同的，那么当纳米颗粒的含量超过12％时，流经各个桥联通路的“短路电流"就没有什么不同。尽管两电极之间有放电现象发生，由于纳米铝颗粒本身的自钝化性质，复合材料在高的颗粒含量时仍保持的较好的绝缘性能。以上是复合材料在较高纳米颗粒含量下仍具有较高的介电强度的另一个原因，也是复合材料在较高纳米颗粒含量下具有相似击穿强度的原因。

根据介电强度的观点，12％也可以看作是逾渗阈值。这是因为，从材料的介电强度的角度上讲，复合材料的微观结构在这个浓度发生了一个转变。可以看出，这个值明显低于直流电导测量所反映出的逾渗阈值（22，3％），这是测试电场强度的不同造成的。在介电强度的测试中，样品所加的电场强度要高出测量直流电导时所施加场强1-2个数量级。