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材料電氣介電擊穿強(qiáng)度的變化規(guī)律
閱讀：739發(fā)布時(shí)間：2023-3-13
為探究材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度隨填料填充含量的變化規(guī)律，本論文將使用硅烷偶聯(lián)劑處理過(guò)的70N,m, S},m和1.SN.m球形氧化鋁按照6:2:2的質(zhì)量比進(jìn)行混合，構(gòu)成高導(dǎo)熱填料體系，再將其添加到硅橡膠基體中，制備出不同填料添加含量下的熱界面復(fù)合材料樣品，該樣品呈圓形，其直徑為100mm、厚度為2mm,如圖1所示。實(shí)物連接圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需將待測(cè)的熱界面復(fù)合材料、電極等浸泡在二甲基硅油中，以進(jìn)一步抑制表面閃絡(luò)的發(fā)生，減小實(shí)驗(yàn)誤差。實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D149。
圖1 樣品圖
圖2 擊穿試驗(yàn)實(shí)物連接圖
不同填料含量下的材料的交流電氣介電擊穿強(qiáng)度值如表1所示，變化趨勢(shì)如圖3所示。擊穿后的復(fù)合材料樣品如圖4所示，樣品上的黑色斑跡為擊穿點(diǎn)。由圖3可看出，復(fù)合材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度隨著填料填充含量的增大而下降。由表1可知:純硅膠的電氣介電擊穿強(qiáng)度最大，為15.21kV/mm;填料的填充含量為70%時(shí)，電氣介電擊穿強(qiáng)度為13.89kV/mm，其值相比純硅膠下降了8.7%;填料的填充含量為85%時(shí)，電氣介電擊穿強(qiáng)度為11.OlkV/mm，其值相比純硅膠下降了27.6%;填料的填充含量達(dá)到95%時(shí)，電氣介電擊穿強(qiáng)度為8.58kV/mm，其值相比純硅膠下降了43.6%。
表1不同粒徑填充下材料交流電氣介電擊穿強(qiáng)度
圖3不同填充含量下材料交流電氣介電擊穿強(qiáng)度變化趨勢(shì)
根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，可以按照以下模型思想對(duì)材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度進(jìn)行分析:填充型材料的多殼模型由緊密層、連接層、松散層和古依一查普曼雙電層四個(gè)層次構(gòu)成。其中緊密層為連接小顆粒無(wú)機(jī)填料和有機(jī)基體的部分;連接層可通過(guò)移動(dòng)有機(jī)聚合物鏈影響固化后復(fù)合材料的分子結(jié)構(gòu);松散層的移動(dòng)性強(qiáng)，與聚合物距離最遠(yuǎn)，受緊密層的影響最小;古依一查普曼雙電層覆蓋在以上三層之上。兩個(gè)不同的物體相互接觸時(shí)，由于其自由電子荷的濃度不同，在接觸界面便會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)，兩物體會(huì)產(chǎn)生電量相等、極性相反的電荷。在各種力場(chǎng)和熱擴(kuò)散的共同作用下電荷最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)且該電層在緊密層、連接層、松散層這三層之外。
硅橡膠分子鏈上本身的缺陷會(huì)導(dǎo)致純硅膠的電氣介電擊穿強(qiáng)度低于理想值。在硅橡膠中加入微米級(jí)無(wú)機(jī)填料，基體粘度增高，高導(dǎo)熱填料體系在基體中分散性變差，制得的復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部存在氣孔、裂紋、表面不平整等現(xiàn)象，從而引入除硅橡膠本身分子鏈缺陷以外更多的缺陷，導(dǎo)致復(fù)合材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度變低。另外，由于微米級(jí)無(wú)機(jī)填料的引入可導(dǎo)致更多的起始電子，而起始電子移動(dòng)容易，伴隨電子之間的撞擊，產(chǎn)生更多的電子，從而降低了電氣介電擊穿強(qiáng)度。因此，復(fù)合材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度隨著填料含量的增大而減小。
為探究單一粒徑填充下，材料電氣介電擊穿強(qiáng)度隨氧化鋁粒徑的變化規(guī)律，分別將使用偶聯(lián)劑處理過(guò)的70N,m, 20um和0.5um球形氧化鋁填充到硅橡膠基體中，制得復(fù)合材料樣品，其填料的填充含量均為77%。在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)量不同樣品的擊穿電壓，復(fù)合材料交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的變化趨勢(shì)如圖5所示。
圖5不同粒徑填充下材料的交流電氣介電擊穿強(qiáng)度
由圖可知，復(fù)合材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度隨著填料粒徑的增大而增大。氧化鋁粒徑為70um時(shí)，電氣介電擊穿強(qiáng)度最大，為11.07kV/mm氧化鋁粒徑為20um時(shí)，電氣介電擊穿強(qiáng)度為10.48kV/mm，其值相比粒徑為70um時(shí)下降了5.3%}氧化鋁粒徑為O.Sum時(shí)，電氣介電擊穿強(qiáng)度為10.21kV/mm，其值相比粒徑為70um時(shí)降了7.7% 。
在相同填充含量下，填料的粒徑越小，其分子顆粒數(shù)越多，無(wú)機(jī)填料與基體間的接觸面積越大，粒子越不容易在基體中均勻分散，容易形成較多的氣隙等缺陷，而擊穿往往在這些比較脆弱的地方首先放生，導(dǎo)致?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)變小。因此，單一粒徑填充下，復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨填料粒徑的減小而減小。
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