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復(fù)合材料電壓擊穿強度試驗分析
閱讀：1633發(fā)布時間：2023-4-10
電壓擊穿強度分析：
表2-5給出的是利用ZJC-50KV電壓擊穿試驗儀測得的2#16#Ni/BaTi03/PVI}F三相復(fù)合材料試樣的擊穿電壓、對應(yīng)試樣厚度以及計算所得的電壓擊穿強度。
其中，電壓擊穿強度＝擊穿電壓/試樣厚度：
本實驗利用weibull分布對表2-5中所示試樣的擊穿電壓測試原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，Weibull分布反映的是電場強度一定的情況下材料發(fā)生擊穿的概率，兩參數(shù)的Weibull
分布表達(dá)式如式(2-2)所示:
變形后可變成:
Logy-ln(1-p)盧LogE在直角坐標(biāo)下成線性關(guān)系。式中p和Eo分別稱為Weibull函數(shù)的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，其中p反映了坐標(biāo)系中直線斜率的大小，它的大..J:與材料試樣的質(zhì)量、制備工藝條件有關(guān)。p越大，表明測定的電壓擊穿強度數(shù)據(jù)分散性就越小，材料制備工藝越穩(wěn)定，材料的質(zhì)量越好。E。則反映了擊穿概率為63.2%時電場強度的大小。2#^-16#組試樣的電壓擊穿強度Weibull分布如圖2-6，圖2-7，圖2-8所示，根據(jù)電壓擊穿強度Weibull分布圖可以計算出試樣所對應(yīng)的p和Eop和Eo值詳見表2-6。
從表2-6中數(shù)據(jù)來看，各組試樣之間的形狀參數(shù)p數(shù)值差別較大，這說明試樣的制備工藝還不是太穩(wěn)定，另外，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性也存在差異。相對來說，BaTi03含量為lOv%的試樣所表現(xiàn)出的p數(shù)值都比較大，這說明該BaTi03含量的Ni/BaTi03/PVDF三相復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較均一，試樣質(zhì)量相對較好。
根據(jù)表2-6中所示的電壓擊穿強度數(shù)值，繪制了Ni/BaTi03/PVDF三相復(fù)合材料的電壓擊穿強度隨BaTi03及Ni的含量變化曲線，如圖2-9所示。從圖中可以看出，該三相復(fù)合材料的電壓擊穿強度隨著BaTi03含量的增加而顯著降低，摻雜的BaTi03粉體在高壓電場下首先被擊穿，這是由BaTi03粉體低擊穿的特性決定的。聚合物基體本身的電壓擊穿強度較高，約為80Kv/mm，這是因為聚合物基體材料內(nèi)部存在大量的陷阱，電子在其內(nèi)部遷移時容易被陷阱所捕獲，從而形成穩(wěn)定的空間電荷，不易發(fā)生擊穿。當(dāng)大量BaTi03粉體混入時，聚合物基體和BaTi03粉體之間會形成界面，這些界面彼此連接形成通道，通道處的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于聚合物基體材料的電導(dǎo)率，因此外電場下，電子會優(yōu)先選擇在電導(dǎo)率大的界面處通過，導(dǎo)致?lián)舸┤菀装l(fā)生。少量的BaTi03粉體會使聚合物的電壓擊穿強度增大，這是由于少量的BaTi03粉體添加到聚合物基體中時，聚合物基體和BaTi03粉體之間的界面數(shù)量少，不會連接形成通道，同時BaTi03粉體本身的體積會使聚合物基體產(chǎn)生一定程度的拉伸，這種拉伸會使聚合物基體中的陷阱增多加深，從而可以捕獲更多的電子。基于此，圖中Ni含量為Ow%.BaTi03含量為1Ov%的情況電壓擊穿強度表現(xiàn)出異常，電壓擊穿強度高達(dá)280KV/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同種情況下未摻雜BaTi03的復(fù)合材料。摻雜Ni粉體的復(fù)合材料之所以沒有表現(xiàn)出這種低BaTi03含量高擊穿的特例，可能是由于Ni粉體對復(fù)合材料的電壓擊穿強度影響更大，掩蓋了低BaTi03含量所帶來的影響。
從圖2-9可以看出，Ni含量對復(fù)合材料電壓擊穿強度也有很大影響，其中含量為3w%時擊穿最高，BaTi03含量為Ov%時電壓擊穿強度達(dá)到400Kv/mm，是純PVDF的4倍左右;隨著欽酸鋇含量增加，電壓擊穿強度下降，但降低程度較小，最小值約為180kv/mm。這種現(xiàn)象可以利用導(dǎo)電顆粒在絕緣體中的表現(xiàn)出的庫倫阻塞效應(yīng)來進(jìn)行解釋。對于不含導(dǎo)體顆粒的復(fù)合材料，在強電場下復(fù)合材料導(dǎo)帶中的電子會被加速并在加速運動過程中與晶格發(fā)生碰撞從而獲得動能，如果電子獲得的動能大于它在碰撞過程中損失給晶格的能量，那么電子具有的動能就會越來越大，進(jìn)而碰撞電離產(chǎn)生更多的自由電子，自由電子會發(fā)生進(jìn)一步的碰撞電離，如此下去，復(fù)合材料的電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿現(xiàn)象開始發(fā)生。如果復(fù)合材料中含有一定含量的納米Ni粒子，均勻分散于聚合物基體中的納米Ni粒子形成的隧穿結(jié)使電子逐個通過其間，對在一定電場下的電子的定向運動起到限制作用，表現(xiàn)出“庫倫阻塞效應(yīng)"，那么就不容易發(fā)生電子的加速碰撞進(jìn)而電離現(xiàn)象，復(fù)合材料的電壓擊穿強度得到提高。但是如果Ni的含量太高，顆粒間距太小或者因為含量高發(fā)生團(tuán)聚，宏觀量子隧道效應(yīng)將代替庫倫阻塞效應(yīng)占主導(dǎo)地位，削弱了庫侖阻塞效應(yīng)對電子的阻礙作用，此時電子可以穿越勢壘從一個勢阱進(jìn)入另一勢阱，體系的電壓擊穿強度下降，這也就解釋了Ni含量為Sw%時復(fù)合材料電壓擊穿強度又下降的原因。
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