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固体介电击穿强度试验仪击穿理论概述

发布时间:2022-09-13      点击次数:196

固体介电击穿强度试验仪击穿理论概述:

     固体电介质根据电介质被击穿时间不同,将击穿分为长时击穿和短时击穿;短时击穿中,根据击穿机理不同,又可分为电子击穿、热击穿、局部放电击穿、电机械击穿和次级效应击穿。

      相对于传统电介质,聚合物的介电性质与其组成分子大小、分子量、化学结构等因素有关。大量实验表明:提高材料的宏观均匀性和微观不完整性,它的击穿场强会增大。例如聚合物材料的击穿场强一般比晶体材料大,极性电介质的击穿场强普遍高于非极性材料。 

     电击穿和热击穿都表现为介电材料电导的突增,二者的原理不同。电击穿是由于电子在外电场的作用下被加速,电导增加。实际上任何现实中的电介质都不是绝对绝缘的,在电介质内部存在一定数量的载流子,具有一定的电导 。施加一个外电场后,会有一定的电流经过电介质,从而产生一定的焦耳热;若电介质处于交变电场下,还会出现与极化弛豫过程相关的介电损耗,它们以热能的形式散发。热击穿是施加电场后电介质内部产生的热使介质材料温度升高,导致电导增大直至介电完全失败的现象。 

 热击穿:

       热击穿理论最早由 Wagner 在 1922 年提出,是描述固体击穿理论的。描述当电流通过绝缘体时焦耳热是怎样被平衡的。热能有两个去处,一个是周围环境温度的升高,另一个是介质材料温度的增加。 

(1)  电压较低时,散热速率大于放热速率,介质温度不会发生明显变化,不会破坏电介质的绝缘性; 

(2)  在某一电压时,散热速率等于放热速率,已然没有多余的热量作用于介质本身,此时电介质绝缘性良好; 

(3)  当电压增加到某一临界电压 Uc 时,散热速率小于放热速率,介质从散热量和放热量相补偿的平衡态转为非平衡态,此时未被平衡掉的热量使得介质温度升高,引发电介质内部电导增加,在介电材料内部存在一个温度和电导的正反馈,在某一时刻,引发介质热击穿,电介质完全丧失绝缘性能。热击穿的击穿过程较为缓慢,一般需要几秒时间。 热击穿理论上可以被下面等式所表述:

image.png

        VC代表单位体积的比热,tK 是热导系数,T 是样品温度, E 是施加电场,是电导率。公式(2-10)中左边第一项代表材料吸收的热量,第二项代表散发到周围环境的热量,这两项正是之前所提到的两个能量损耗源;等式右边代表产生的总热量。

人们通过许多实验和理论研究得出击穿场强的定性结论,主要特点如下: 

(1) 高温区易发生热击穿,热击穿场强随温度的升高呈下降趋势; 

(2) 介电质越厚,击穿场强一般越高,但是厚度大的电介质散热差,所以热击穿场强不随介质厚度成正比增加; 

(3) 直流电压比交流电压下测试的BE 大,因为极化弛豫过程引发的介电损耗增加了介质的温度。因此,当电压频率升高时,BE 降低; 

(4) 热击穿场强与样品耐热性能和散热条件等外界因素有关,受外界影响较大。 

 电击穿:

当固体电介质的电导 或介质损耗 tan 很小,又有良好的散热条件时,介质通常不会发生热击穿。在低温区,聚合物击穿场强与高温区有所不同,显示与温度无关或正温度依赖性,这表明在低温区有其他击穿机制存在。事实上,起作用的正是电击穿。 

     电击穿是由于电介质中存在着少量处于导带能量状态的电子,它们在外加电场的作用下与晶格结点上的原子发生碰撞,使得晶格结点上原子电离产生电子崩,当电子崩发展到足够强时,引发电介质击穿,这种击穿具有电子本原,归因于电子的失稳性,因此程之为电击穿或电子击穿。 

      在电击穿领域的先驱者是 Von Hippel,他创作了单电子模型来解释在低温下的击穿行为。基于 Von Hippel 的研究,Froholich 的高能准则内部击穿模型和 Seitz的雪崩击穿模型也建立起来。总的来说,这类击穿涉及到在外加电场下电荷载

体的运动,主要解释电荷载体怎样产生和增加,它们携带的能量是如何把转移到晶格里的。 

       实质上大约在本世纪 30 年代,以 Von  Hippel 和 Froholich 为代表,在固体物理基础上,以量子力学为工具,逐步建立了固体电介质电击穿的碰撞理论,固体电介质的电击穿理论是在气体放电的碰撞电离理论基础上建立起来的。这一理论可简述如下:在强电场的作用下,因冷发射或者热发射的作用在固体电介质中存在一些原始自由电子。一方面这些电子在外电场作用下被加速,获得动能;另一方面与晶格振动相互作用,把电场能量传递给晶格。当这两个过程在一定温度和场强下达到互相平衡时,固体介质会产生稳定的电导;当电子从电场中得到的能量大于传递给晶格振动的能量时,电子的动能会变得越来越大,至电子能量大到某一临界值时,电子与晶格振动相互作用导致其电离产生新电子,使得自由电子数迅速增加,电导进入不稳定阶段,击穿发生。 电介质电击穿的实验规律有以下几个方面: 

(1) 在室温或低温时出现; 

(2) 材料的BE 与样品的尺寸、外貌无关,它是材料的本性特性参数; 

(3) BE 值与外压波形无关,因电击穿在很短的时间内完成,作用时间<10-6s; 

(4) BE 是样品厚度 d 的缓变函数,但当 d 很小时BE 的变化较快, d <10-6m 时BE 随 d 的下降快速增加,成为薄层强化效应; 

(5) 介质内部击穿经常按一定的方向进行。 

       在研究电击穿场强时,为能求得真实电介质击穿场强,保证材料足够的散热避免热击穿发生,缩短电压作用时间,并且要尽量在电介质内部建立足够均匀的电场,只有同时满足以上条件时,才能获得比较纯粹的电击穿场强。在研究电介质的电击穿规律是,需要注意以下几个方面: 

(1) 电介质厚度不能太厚,否则造成电极边缘电场分布不均匀; 

(2) 电极的形状要上下对称; 

(3) 电极与被测材料间接触紧密,避免在电极和固体电介质的空隙发生电离; 

(4) 测试时将样品放在液体介电煤质中,消除表面静电作用。

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