絕緣擊穿電壓和介電強度威布爾分布圖

閱讀：1696發布時間：2023-9-15

絕緣擊穿電壓又可稱為介電強度，是電介質材料的一個重要參數。聚合物基復合材料的絕緣擊穿電壓一般用威布爾分布來表示并用于分析材料的可靠性。如圖2-14所示，為純的PVDF和不同填料含量下復合材料的威布爾分布圖。可以看出，隨著填料的加入，復合材料的絕緣擊穿電壓整體上呈降低趨勢，例如，當填料從0wt%增加至40wt%時，復合材料的絕緣擊穿電壓從2686kV/cm降到1473kV/cm。這可能是由于填料加入對聚合物基體造成了一定的缺陷，而擊穿過程實際上電樹枝化發展的過程，缺陷的存在更容易在界面間產生漏電電流，使得擊穿過程加速(LuoSBetal,2017)。在低填料時，相應的空間電荷和可移動的自由電子產生的相對較少，那么，產生的漏電電流較少，相應的絕緣擊穿電壓不至于降低太多。隨著填料的增加，即使顆粒在聚合物基體中分散較好，但由于顆粒間距的減小，產生量子躍遷效應，使得在界面積聚更多的電荷，漏電電流增加，大大降低復合材料的絕緣擊穿電壓。雖然，介電強度有所降低，但復合材料整體的可靠性還是能夠保持在一定的水平，對此類的電介質復合材料還是有一定的參考價值。

根據公式2-1和2-2，不同質量分數下的復合材料的絕緣擊穿電壓的Weibull分布如圖3-13所示，從圖中可以看到，純的PVDF的絕緣擊穿電壓為2686kV/cm，當填料含量為1wt%時，復合材料的絕緣擊穿電壓為2852kV/cm，提升了約7.7%，這可能是由于低含量下復合材料中聚合物基體占主導，填料中BT的加入在一定程度弱化了基體和多孔碳球的界面能，降低了復合材料的電導率，從而使得復合材料絕緣擊穿電壓有所上升，當填料含量進一步增加時，絕緣擊穿電壓由2852kV/cm迅速降低至340kV/cm，這主要源于，隨著填料的增加，復合材料中填料占主導，粗糙的顆粒表面及顆粒與基體之間的界面成為聚合物基復合材料內部介電擊穿的薄弱區。在這種情況下，電樹枝生長直接發展成裂紋，產生漏電電流導致復合材料絕緣擊穿電壓降低，并且填料越多，絕緣擊穿電壓越低，當填料含量增加至9wt%時，復合材料性質發生了轉變，形成導電通路，變成導電體，絕緣擊穿電壓低。但從另一參數β來看，此復合材料中，填料的分布還是較均勻，沒有出現明顯的團聚，只是在高含量9wt%時，復合材料的均勻性有所下降，可能是大量填料的加入出現了堆積現象，總的來說，復合材料的穩定性還是比較高。

根據儲能密度公式可以知道，絕緣擊穿電壓對儲能密度的提升占據主要因素，因此對三層膜結構復合材料的擊穿性能進行測試，通過整理計算得出三層膜復合材料的雙參數威布爾分布圖，如圖4-6所示，從分布圖上可以看出，復合材料的絕緣擊穿電壓有顯著提高，特別是1-0-1復合材料，可高達3635kV/cm，是純的PVDF的1.4倍，而3-0-3復合材料的絕緣擊穿電壓略高于純的PVDF，是它的1.1倍，隨著填料的進一步增加，大大破壞了外層中PVDF的連續結構，即使中間層留有連續的PVDF，也不能大大延緩擊穿過程中電樹枝的生長，使得復合材料的絕緣擊穿電壓越來越低，但整體下來，復合材料的絕緣擊穿電壓仍能保持在1000kV/cm以上，與單層復合材料相比，三層膜結構復合材料的絕緣擊穿電壓得到大大提升，說明此種結構的設計是有助于復合材料絕緣擊穿電壓的提升。另外，從形狀因子來看，復合材料可靠性也有所提高，這可能要歸因于聚合物優異的熱穩定性及良好的加工性。