对固体绝缘材料的电气强度及电气性能分析研究

对固体绝缘材料的电气强度及电气性能分析研究

击穿性能不仅是聚合物绝缘电介质材料的最基本的要求‚还是聚合物绝缘材料的一个重要参数‚是提高绝缘材料的电气强度的最为重要的研究任务之一。通过对聚合物绝缘材料击穿性能的研究‚可以更深入的了解聚合物复合材料的电气性能‚从而为开发新的绝缘复合材料、提高材料的电绝缘性、耐老化性和稳定性、设计更合理的绝缘材料的结构等奠定一定的实验依据和理论基础。

聚合物大都具有较优异的绝缘性能‚已经被广泛的用作电气绝缘材料‚在电气绝缘材料领域，聚合物作为绝缘材料已经起着及其重要的作用。而电力设备和电子器件的发展也对绝缘材料提出了各种新的要求‚例如‚要求设备的体积越来越小‚能够耐受的电场强度越来越高‚使用寿命要求越来越长‚能够长期耐受各种苛刻条件等‚这就需要人们对许多新的问题去探索解决。

聚合物绝缘材料的击穿现象是一个很复杂的过程‚它的大小不仅依赖于聚合物绝缘材料的微观结构‚电极材料、空间电荷分布、界面的几何尺寸和理化特性以及其它因素电、热、辐照、机械力、化学等对聚合物绝缘材料作用的影响也起到很大的作用。目前‚许多研究人员聚合物电介质材料的击穿性能进行了研究‚对各种影响聚合物绝缘材料击穿强度的因素进行了分析总结，并提出了各种击穿理论。

曹晓珑等人总结了聚合物击穿机理研究的近期观点‚把凝聚态聚合物的击穿按照发展过程分为长时击穿和短时击穿。短时击穿即电子崩击穿‚其特征是它的击穿强度具有负厚度和正温度的关系‚击穿时延。等人所得到的实验结果支持电子崩击穿机理。这一过程是一种低温下的纯电子击穿过程‚自由体积为电子在电场下提供动能的条件‚自由体积越大‚电子平均自由程越长‚碰撞后产生的电离概率越高‚击穿场强就越低。长时击穿其代表是电老化击穿。聚合物绝缘材料是由大量的各种陷阱组成的‚其电子平均自由程很短‚电子几乎不可能在电场下将能量增加到可以激活具有很宽的禁带的聚合物绝缘材料中的电子‚因此‚要使其产生击穿‚必须要为注入的电子提供足够大的平均自由程‚使其在电场中积累足够的能量发生碰撞电离。因此许多研究者认为对聚合物绝缘材料的击穿来说‚击穿前在电极附近形成低密度区是必需的‚等人对这一低密度区的形成提出解释‚他们认为‚从电极注入的电子平均自由程短‚经过几次碰撞后很快落入陷阱中。被捕陷的电子一方面会在注入电极附近形成同极性的负电荷中心‚由此形成的附加电场会减弱电子的注入率‚另一方面由于捕陷‚由高能态到低能态的能量差会以非辐射的方式转移。对绝缘材料‚这个能量高达‚一方面会直接破坏陷阱处材料的结构‚另一方面转移给其他电子‚这个电子就具有足够能量破坏聚合物中的化学键或者产生自由基‚形成新的陷阱‚这个过程会传递下去‚直至低密度区的形成结束。除电子击穿理论‚等人还总结出其他击穿理论‚如热击穿理论‚该理论把固体的击穿分为稳态热击穿、热脉冲击穿‘机械击穿理论‚这一理论把固体的击穿归因于电动机械击穿二次效应‚由电动电荷等导致的固体击穿。灿将与复合‚使得的击穿场强发生改变‚并得到了如下结论外加电场的不均匀性和材料的宏观缺陷如材料有微孔或者掺杂了导电颗粒会使材料的击穿场强降低聚合物绝缘材料的击穿场强发生改变的原因有杂质或者添加剂对聚合物形态的影响、聚合物材料击穿前所形成的空间电荷对材料的内部电场的影响‚还与电子或离子在电场的作用下获得足够能量所引起的电介质损害有紧密联系。当聚合物绝缘材料与无机纳米粒子复合时‚由于纳米粒子在纳米尺寸范围内显示出的量子化效应‚纳米粒子可能先占据基体中自由体积的部分和尺寸较大的陷阱。这样会降低自由体积的数量‚并将深陷阱转化为较多的浅陷阱‚这样使得电子能量的积聚的概率和效果产生影响‚使得材料的电老化性得到改观。

从表一中可以看出‚微米与纳米两种填料共填充硅橡胶复合材料的体积电阻率仍然保持在巧几的数量级‚即几‚仍然复合绝缘子使用的要求而击穿场强的平均值均相对于单组份填料填充硅橡胶复合材料的击穿场强高‚这一方面是因为微纳共添硅橡胶使得硅橡胶复合材料的结构更加紧密‚而微米一纳米共填充的硅橡胶复合材料的击穿场强显著高于纳米氧化铝复合硅橡胶的击穿场强‚这是因为纳米粒子可能先占据基体中自由体积的部分和尺寸较大的陷阱‚这样会降低自由体积的数量‚并将深陷阱转化为较多的浅陷阱‚这样使得电子能量的积聚的概率和效果产生影响‚使得复合材料的电气绝缘性得到改观‚同时提高了电绝缘性能的稳定程度。