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如果用球球電極測試復(fù)合材料工頻交流下的擊穿場強(qiáng)
閱讀：1242發(fā)布時間：2022-9-19
如果用球球電極測試復(fù)合材料工頻交流下的擊穿場強(qiáng)：
導(dǎo)熱特性的增強(qiáng)的同時不能降低絕緣材料的擊穿場強(qiáng)，因此，工頻電壓下絕緣材料的擊穿場強(qiáng)是驗證絕緣材料實際工程運(yùn)用價值的重要參數(shù)。按照章節(jié) 2.4.2 介紹的方法測試了球球電極下環(huán)氧樹脂及其復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)，樣品厚度為 1 mm。取不同填充分?jǐn)?shù)的樣片各 10 片，測試工頻交流下的擊穿場強(qiáng)。
Weibull 分布函數(shù)為：
式中 P 是電失效的累積概率，E 是每次實驗測試的擊穿場強(qiáng)，β 是形狀參數(shù)，它決定著可能冪函數(shù)的形狀，也就是通常所說的斜率參數(shù)，0E 是尺度參數(shù)，表示失效概率為 63.2%時的擊穿場強(qiáng)，這個參數(shù)通常被用來比較不同樣品的介電強(qiáng)度，P 根據(jù)下式的公式進(jìn)行計算：
E 直按升序排列，i 代表 E 值的位數(shù)，n 表示每個樣品的總測試量。
圖 4.4 是工頻下復(fù)合材料在球球電極下?lián)舸﹫鰪?qiáng)的 Weibull 分布圖。室溫下，填充質(zhì)量比為 0 wt%、7 wt%、15 wt%、25 wt%和 40 wt%的復(fù)合材料的 63.2%概率的擊穿場強(qiáng)值為別為 11.41、12.40、12.50、12.92、13.51 kV/mm，其對應(yīng)的 β 形狀參數(shù)分別為7.46、8.36、8.87、10.14、10.8。在 Weibull 分布中，0E 和 β 分別代表特征擊穿場強(qiáng)以及介電強(qiáng)度的分散因子，0E 值越大，表示擊穿場強(qiáng)越高；β 越高表示擊穿場強(qiáng)的離散性越小。從圖中可以看出純環(huán)氧樹脂的 β 值較小，說明純環(huán)氧樹脂擊穿場強(qiáng)的分散性最為嚴(yán)重，隨著填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，β 值逐步升高，擊穿場強(qiáng)隨之增大。
與純環(huán)氧樹脂相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40 wt%的復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)增加了 18.4%。復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)有達(dá)到飽和的趨勢，表現(xiàn)為超過 63.2%概率的擊穿場強(qiáng)的大小趨向集中。復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)受到多種因素的影響，其中，納米顆粒的分散度、平均尺寸和界面作用是主要的影響因素。在高壓電場的作用下，復(fù)合材料內(nèi)部顆粒與聚合物基體的界面處電場強(qiáng)度較高，隨著電壓的升高，介電損耗不斷升高，界面處更多的空間電荷擺脫束縛，泄漏電流逐步增大，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的擊穿。對于純環(huán)氧樹脂來說，電樹的發(fā)展取向性更明顯，填充納米顆粒有抑制電樹發(fā)展的作用。納米顆粒分布均勻性較高有助于提高復(fù)合材料擊穿場強(qiáng)。圖 2.9 復(fù)合材料橫截面 SEM 圖顯示 SrTiO3納米顆粒尺寸大小偏差不大且均勻分布在環(huán)氧樹脂基底中。圖 2.10 復(fù)合材料的 IR 光譜分析顯示在復(fù)合材料內(nèi)納米顆粒與聚合物高分子之間存在較強(qiáng)的相互作用。因此，填充 SrTiO3納米顆粒之后，復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)總體上有所上升，擊穿場強(qiáng)的最大值趨于穩(wěn)定。
填充型納米復(fù)合材料的本征擊穿是一個復(fù)雜的過程，量子力學(xué)表明，在強(qiáng)電場作用下，聚合物基體與納米顆粒界面處的電場畸變較大，深陷阱的電子捕獲能力消減；肖特基效應(yīng)表明在強(qiáng)電場作用下，表面勢壘會逐步降低，場發(fā)射電流密度會相應(yīng)升高。與此同時，分子離解能也隨著介電常數(shù)的升高而降低，電子碰撞電離增強(qiáng)，增加了發(fā)生雪崩擊穿發(fā)生的可能性；同時，填充量較大時，復(fù)合材料內(nèi)自由體積分?jǐn)?shù)增加，離子載流子的電導(dǎo)活化能降低，因而在較強(qiáng)的電場作用下，離子遷移率增加，最終導(dǎo)致了復(fù)合材料的擊穿。從圖 4.4 可以看出，復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)是隨著填充質(zhì)量比的增加而逐步增強(qiáng)的，進(jìn)而證明了 EP/SrTiO3復(fù)合材料除了具有較高的導(dǎo)熱率外，電氣特性也得到了整體增強(qiáng)。
① EP/SrTiO3與 Ba TiO3 復(fù)合材料擊穿場強(qiáng)對比
據(jù)文獻(xiàn)報道，Ba TiO3填充的聚四氟乙烯(PVDF)復(fù)合材料運(yùn)用于儲能器件的研究中發(fā)現(xiàn)，103 Hz 頻率下，填充體積分?jǐn)?shù)為 10 vol%的復(fù)合材料的介電常數(shù)為 7 左右，但是復(fù)合材料的電導(dǎo)率在 103 Hz 頻率下達(dá)到了 10-6 S/m 數(shù)量級，較高的電導(dǎo)率使得復(fù)合材料在 1 Hz 低頻下產(chǎn)生較強(qiáng)的界面極化，因而 1 Hz 頻率的介電常數(shù)達(dá)到了 100 左右，BaTiO3填充的聚四氟乙烯復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)隨著填充量的增加逐步下降。Ba TiO3與聚合物基體間的電性能差異，引發(fā)電場集中，在界面處產(chǎn)生較大的電場畸變，擊穿場強(qiáng)的下降不利于絕緣材料在長期高溫高電壓下運(yùn)行。
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