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復(fù)合材料交流擊穿強(qiáng)度、擊穿電壓測(cè)試及介電強(qiáng)度計(jì)算公式
閱讀：2834發(fā)布時(shí)間：2023-9-24
復(fù)合材料交流擊穿強(qiáng)度：
從實(shí)際應(yīng)用的角度上考慮，電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，特別是在高頻高壓場(chǎng)合下，絕緣材料必須具有一定的介電強(qiáng)度。
絕緣材料的擊穿強(qiáng)度遵循Weibull分布。介電強(qiáng)度的Weibull分布可寫為：
式中P是電失效的累積概率，E是每次實(shí)驗(yàn)時(shí)的測(cè)試擊穿強(qiáng)度，β是形狀因子，表示擊穿強(qiáng)度的分散情況，E0是尺度參數(shù)，表示失效概率為63，2%時(shí)的擊穿強(qiáng)度，這個(gè)參數(shù)通常被用來(lái)比較不同樣品的介電強(qiáng)度。
P根據(jù)下述公式進(jìn)行計(jì)算：
E值以升序排列，i代表E值的位次，n表示每個(gè)樣品總的測(cè)試數(shù)目。
圖1給出了納米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度的Weibull分布。根據(jù)圖2，14可以看出，復(fù)合材料的介電強(qiáng)度與納米顆粒的濃度有很大的關(guān)系。根據(jù)圖2，14，在低顆粒濃度的情況下，納米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度有很大的降低。當(dāng)顆粒的濃度超過12％并逐漸增加到32％，復(fù)合材料的介電強(qiáng)度不再發(fā)生很大的變化，只是隨著納米顆粒的增加而慢慢降低，這說(shuō)明聚乙烯納米鋁復(fù)合材料在較高的金屬含量時(shí)仍具有較高的介電強(qiáng)度，因此從應(yīng)用的角度上具有潛在的價(jià)值。低濃度下的介電強(qiáng)度快速降低以及高濃度下介電強(qiáng)度的變化較小，說(shuō)明在這些納米復(fù)合材料中可能存在兩種不同的擊穿機(jī)理。
圖1
當(dāng)顆粒含量較低時(shí)，顆粒之間沒有形成團(tuán)簇，而是孤立的存在于聚合物基體中，這樣，每個(gè)粒子周圍的電場(chǎng)會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的放大，納米顆粒與聚合物基體之間可能會(huì)發(fā)生局部的擊穿。在這種情況下，由于納米顆粒的尺寸很小，盡管施加在樣品上的電場(chǎng)強(qiáng)度不是很高，但納米鋁顆粒周圍局部電場(chǎng)的增強(qiáng)足以超過聚乙烯的本征擊穿強(qiáng)度，從而造成納米鋁顆粒的濃度越低，復(fù)合材料的介電強(qiáng)度降低越快。根據(jù)我們的觀察，納米鋁含量為1％時(shí)，復(fù)合材料的失效概率為63，2％的擊穿強(qiáng)度由純聚乙烯的135，1kV/mm降低到103，4kV/mm。
聚合物納米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度的降低速率與納米顆粒本身的性質(zhì)及尺寸有關(guān)，金屬顆粒的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電介質(zhì)顆粒的影響。
隨著納米顆粒的含量進(jìn)一步增加，顆粒的團(tuán)聚趨勢(shì)越來(lái)越明顯，團(tuán)簇的尺寸也越來(lái)越大，這樣會(huì)造成電場(chǎng)的增強(qiáng)速率逐漸減弱，因而材料的介電強(qiáng)度降低的速率也越來(lái)越弱。當(dāng)聚合物中的顆粒含量超過一定值后，顆粒團(tuán)簇的尺寸變的很大以至于彼此互相靠近，樣品上下表面就會(huì)形成橋聯(lián)結(jié)構(gòu)。根據(jù)上面的討論，納米鋁氧化殼層的電阻率要低于聚乙烯的電阻率，橋聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)造成放電。一旦上下表面中間有一條橋聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)生放電，施加到復(fù)合材料其它地方的電應(yīng)力就會(huì)降低。這是復(fù)合材料在較高納米顆粒含量下仍具有較高的介電強(qiáng)度的原因之一。
假設(shè)不同納米團(tuán)簇的體積比較接近且電極形狀是相同的，那么當(dāng)納米顆粒的含量超過12％時(shí)，流經(jīng)各個(gè)橋聯(lián)通路的“短路電流"就沒有什么不同。盡管兩電極之間有放電現(xiàn)象發(fā)生，由于納米鋁顆粒本身的自鈍化性質(zhì)，復(fù)合材料在高的顆粒含量時(shí)仍保持的較好的絕緣性能。以上是復(fù)合材料在較高納米顆粒含量下仍具有較高的介電強(qiáng)度的另一個(gè)原因，也是復(fù)合材料在較高納米顆粒含量下具有相似擊穿強(qiáng)度的原因。
根據(jù)介電強(qiáng)度的觀點(diǎn)，12％也可以看作是逾滲閾值。這是因?yàn)椋瑥牟牧系?/span>介電強(qiáng)度的角度上講，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)在這個(gè)濃度發(fā)生了一個(gè)轉(zhuǎn)變。可以看出，這個(gè)值明顯低于直流電導(dǎo)測(cè)量所反映出的逾滲閾值（22，3％），這是測(cè)試電場(chǎng)強(qiáng)度的不同造成的。在介電強(qiáng)度的測(cè)試中，樣品所加的電場(chǎng)強(qiáng)度要高出測(cè)量直流電導(dǎo)時(shí)所施加場(chǎng)強(qiáng)1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
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