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电压击穿试验仪测试方法及击穿理论

发表时间:2022-08-16      点击次数:1619

1 测试方法及击穿理论


采用二电极系统测试试样的工频交流击穿电压,其上、下电极的直径分别为 25mm、45mm。为防止电晕放电影响击穿电压的数值,将整个电极系统置于过滤干净的变压器油中,并用细砂纸对电极系统进行打磨。旋转升压器提高电压直至试样击穿,升压速率为 1kV/s,记录击穿时的电压值。


击穿场强是表征材料绝缘性能的重要之指标,定义为试样发生击穿时电压与试样厚度的距离之比,以 E 表示平均击穿场强,计算公式如(4-1)所示。


航天纵横电压击穿 (1).jpg


式中:U 为击穿电压;d 为试样厚度。


通过以上方法得到的击穿数据有一定的离散性,为得到一个确切的数值表征材料的耐电压强度,采用Weibull分布模型分析所得到的击穿数据[,如式(4-2)所示。



式中:E 为测试试样的击穿场强;P(E)为试样在该电场下的失效概率;γ 为形状参数,表征该试样击穿数据的离散程度;E0为特征击穿场强,即 P(E)=63.2%时所对应的击穿场强。对式(4-2)移项并取对数可得式(4-3)。



固体电介质碰撞电离击穿理论指出,在外电场的作用下,可迁移的电子在平均自由行程内累积较高的能量,引起碰撞电离,是造成介质击穿的原因。依据前文对于电导的分析,外界场强较低、温度较低时,复合材料电导以弱束缚离子离解和离子跃迁为主,由于离子体积大、平均自由行程短,载流子的定向移动过程中获得的动能小,所引起的碰撞电离有限,无法解释材料的击穿现象。


复合材料发生碰撞电离击穿有两个必要条件,一是介质内有足够多可迁移的初始电子,二是电子从外电场中获得足够的能量引发碰撞电离。本文研究的试样具有高碳化硅含量的特性,禁带比聚合物窄,试样初始电子的来源有很大不同;而蒙脱土纳米片层的界面区引入大量陷阱,对电子的自由行程产生影响。低场下,电子脱陷比较困难;高场下,电子有一定几率通过隧道效应穿越势垒不损失能量,继续在外场作用下累积动能,引发碰撞电离,导致试样击穿。


2 击穿特性分析


图 4-1、4-2、4-3、4-4 分别为不同微纳复合、不同碳化硅晶型、不同碳化硅含量、不同蒙脱土含量试样的击穿场强的 Weibull 曲线。


从测试结果中可以看出,EP/5M 比 EP 的击穿场强无明显的变化,但蒙脱土的引入使复合材料的击穿数据更加集中;EP/α3-S100、EP/β-S100 比 EP 的击穿场强大幅下降,碳化硅的引入使基体的击穿场强降低,碳化硅含量越高,击穿场强越低。EP/5M/α3-S100、EP/5M/β-S100 比 EP/α3-S100、EP/β-S100 的击穿场强上升,但仍未超过 EP 试样的击穿场强,说明蒙脱土的引入有助于提高复合材料的击穿场强,且击穿数据更加集中;随着蒙脱土含量的增加,复合材料击穿场强出现了先升高后降低的趋势。


分析认为,强场下因场致电子发射或热电子发射使得介质导带内存在一定数量的电子,晶格被电场中获得能量加速运动的电子撞击产生振动。晶格获得能量振动,电子失去能量动能消失,当两者存在平衡关系时,复合材料具有稳定的电导率。如前文中所叙述的相同;当电子从电场获得的能量远大于晶格获得的能量时,电子与晶格作用后产生新的电子,介质内部电子数量迅速增加,试样开始发生击穿。常温下,碳化硅内杂质离子可离解产生电子到达晶粒的导带,在外电场作用下获得动能并射入聚合物中。而常温下聚合物需要更高的场强才能出现初始电子,即复合试样因碳化硅的引入存在大量初始电子,使 SiC/EP复合试样的击穿场强比 EP 试样低得多。


测试结果表明 EP/5M 试样与 EP 试样的击穿场强相近,但并不意味着蒙脱土对环氧树脂试样的击穿场强没有影响。蒙脱土加入到基体中,一方面蒙脱土会引入杂质离解,提升初始电子的数量,降低击穿强度;另一方面界面区的陷阱可捕获电子降低初始电子的数量,从而提高击穿场强,这一点在高碳化硅含量试样的击穿实验中得到印证。碳化硅提供了大量初始电子,与之相比,蒙脱土引入的电子数量少,不占主导作用。此时界面区的陷阱捕获电子,降低初始电子数量,导致电子的平均自由行程变小,电子在行程之间获得的能量变低,无法在与晶格的碰撞过程中产生新的电子,使得 SiC/MMT/EP 微纳米复合材料的击穿场强比 SiC/EP 微米复合材料的击穿场强大。


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