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如果用球球電極測試復合材料工頻交流下的擊穿場強
閱讀：1672發布時間：2022-9-19
如果用球球電極測試復合材料工頻交流下的擊穿場強：
導熱特性的增強的同時不能降低絕緣材料的擊穿場強，因此，工頻電壓下絕緣材料的擊穿場強是驗證絕緣材料實際工程運用價值的重要參數。按照章節 2.4.2 介紹的方法測試了球球電極下環氧樹脂及其復合材料的擊穿場強，樣品厚度為 1 mm。取不同填充分數的樣片各 10 片，測試工頻交流下的擊穿場強。
Weibull 分布函數為：
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，β 是形狀參數，它決定著可能冪函數的形狀，也就是通常所說的斜率參數，0E 是尺度參數，表示失效概率為 63.2%時的擊穿場強，這個參數通常被用來比較不同樣品的介電強度，P 根據下式的公式進行計算：
E 直按升序排列，i 代表 E 值的位數，n 表示每個樣品的總測試量。
圖 4.4 是工頻下復合材料在球球電極下擊穿場強的 Weibull 分布圖。室溫下，填充質量比為 0 wt%、7 wt%、15 wt%、25 wt%和 40 wt%的復合材料的 63.2%概率的擊穿場強值為別為 11.41、12.40、12.50、12.92、13.51 kV/mm，其對應的 β 形狀參數分別為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以及介電強度的分散因子，0E 值越大，表示擊穿場強越高；β 越高表示擊穿場強的離散性越小。從圖中可以看出純環氧樹脂的 β 值較小，說明純環氧樹脂擊穿場強的分散性最為嚴重，隨著填充質量分數的增加，β 值逐步升高，擊穿場強隨之增大。
與純環氧樹脂相比，質量分數為 40 wt%的復合材料的擊穿場強增加了 18.4%。復合材料的擊穿場強有達到飽和的趨勢，表現為超過 63.2%概率的擊穿場強的大小趨向集中。復合材料的擊穿場強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，復合材料內部顆粒與聚合物基體的界面處電場強度較高，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，最終導致復合材料的擊穿。對于純環氧樹脂來說，電樹的發展取向性更明顯，填充納米顆粒有抑制電樹發展的作用。納米顆粒分布均勻性較高有助于提高復合材料擊穿場強。圖 2.9 復合材料橫截面 SEM 圖顯示 SrTiO3納米顆粒尺寸大小偏差不大且均勻分布在環氧樹脂基底中。圖 2.10 復合材料的 IR 光譜分析顯示在復合材料內納米顆粒與聚合物高分子之間存在較強的相互作用。因此，填充 SrTiO3納米顆粒之后，復合材料的擊穿場強總體上有所上升，擊穿場強的最大值趨于穩定。
填充型納米復合材料的本征擊穿是一個復雜的過程，量子力學表明，在強電場作用下，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；肖特基效應表明在強電場作用下，表面勢壘會逐步降低，場發射電流密度會相應升高。與此同時，分子離解能也隨著介電常數的升高而降低，電子碰撞電離增強，增加了發生雪崩擊穿發生的可能性；同時，填充量較大時，復合材料內自由體積分數增加，離子載流子的電導活化能降低，因而在較強的電場作用下，離子遷移率增加，最終導致了復合材料的擊穿。從圖 4.4 可以看出，復合材料的擊穿場強是隨著填充質量比的增加而逐步增強的，進而證明了 EP/SrTiO3復合材料除了具有較高的導熱率外，電氣特性也得到了整體增強。
① EP/SrTiO3與 Ba TiO3 復合材料擊穿場強對比
據文獻報道，Ba TiO3填充的聚四氟乙烯(PVDF)復合材料運用于儲能器件的研究中發現，103 Hz 頻率下，填充體積分數為 10 vol%的復合材料的介電常數為 7 左右，但是復合材料的電導率在 103 Hz 頻率下達到了 10-6 S/m 數量級，較高的電導率使得復合材料在 1 Hz 低頻下產生較強的界面極化，因而 1 Hz 頻率的介電常數達到了 100 左右，BaTiO3填充的聚四氟乙烯復合材料的擊穿場強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，引發電場集中，在界面處產生較大的電場畸變，擊穿場強的下降不利于絕緣材料在長期高溫高電壓下運行。
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