固体电介质击穿电压与热击穿理论

固体电介质击穿理论 

       固体电介质的击穿是指在相当高的电场下，在电介质中产生破坏性的导电路径，使其从介电状态变成导电状态的一种不可逆现象。其中导致材料破坏的电场强度称为击穿场强，又称电击穿强度，反映固体电介质承受电压能力。固体电介质的击穿是一个复杂的过程，可以发生在材料的不同部位，存在随机性。且击穿过程具有瞬时性，很难实时观测，使得研究材料的击穿机制存在较大困难。目前，尚无统一和完善的理论用于解释固体电介质的击穿行为，主要发展起来的击穿理论有热击穿理论，电击穿理论，电机械击穿理论和弱点击穿理论。在发生击穿时，可能同时有不同的击穿理论在起作用，其中能导致低击穿强度的机制起主要作用。下面先对不同的击穿理论和机制作简要介绍。 

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热击穿理论 

       热击穿是指介质内部发热来不及散失导致介质温度升高，直至丧失介电性能而引起的击穿。在电场作用下，通过介质的电流由于存在介电损耗而使介质发热，而介质的电导随着温度的升高而增大，电导的增大又使介质发热更严重。如果散热良好，发热和散热在一定温度下平衡，介质仍然保持稳定状态。如果散热不好，介质温度不断上升，介质中的电流就由于温度升高而不断增大，直到丧失绝缘性能，介质材料就失效而遭到破坏。

      实际上，在外电场下由于散热条件的不同及介质材料微观结构的不均匀性，材料各部分的温度存在差异，只要某一局部温度超过其临界温度，在这个局部区域就会发生热击穿。研究发现，在介质陶瓷材料上加电场往往会伴随着热量的产生，所以发生击穿的过程中经常出现热击穿。Tani  T.等发现不同形状电极的Sr、Nb 掺杂 PZT 介质陶瓷样品在由裂纹拓展造成的击穿前出现了热击穿。同样地，张福平等[37]在直流电场下观察 PZT95/5 介质陶瓷的击穿通道，发现明显的熔融区（见图 1.4），说明样品击穿时伴随着大量的热量产生。同时研究还发现，热击穿现象一般发生在直流击穿的情况，对于脉冲电场特别是脉宽为微秒级时，由于电场加载时间很短，一般不会出现热击穿。

电击穿理论 ：

       电击穿理论认为电子从外电场获得的能量大于电子与晶格作用损失的能量，电子的动能将会越来越大，电子的能量达到一定值时，电子与晶格的相互作用导致电离产生新的电子。随着电子数目的不断增加，导致电导进入不稳定状态，从而造成电击穿。电击穿理论包括本征电击穿（碰撞电离）理论和雪崩击穿理论。

（1）本征电击穿理论（碰撞电离理论） 

       西伯尔最早提出本征电击穿理论，基于一个单电子的平均行为并假设电子之间的相互作用可以忽略，这样电子在外电场作用下被加速而获得能量，在加速过程中和晶格碰撞把能量传递给晶格而损失能量。当获得能量的速率大于在碰撞过程中传递的能量速率时，击穿就会发生。与西伯尔只考虑电子的平均行为不同，弗罗利赫认为由于晶体导带电子能量不同而形成的分布必须加以考虑，各种能量的电子都以一定的几率存在，只要把能量略低于电离能的电子加速到碰撞电离就会导致击穿。

（2）雪崩击穿理论 

       固体中电子碰撞电离产生的雪崩击穿理论是指从阴极出发的电子一方面向阳极移动，一方面从电场获得足够能量使其它束缚电子经过 i 次碰撞电离形成电子崩，若 i 足够大，将导致雪崩击穿。赛兹提出以电子崩传递给介质的能量足以破坏介质晶格结构作为击穿判据，平均每个电子所需能量为 10 eV。经过计算，从阴极出发向阳极运动的电子，引起雪崩击穿的电子至少需要经过 40 次碰撞才能发生雪崩击穿，因此雪崩击穿理论又称 40 代理论。用雪崩击穿理论可以很好的解释薄层介质电击穿强度高，即当介质厚度降低，为保证 40 次碰撞，必须提高电场强度。 

电机械击穿理论 

      电机械击穿是指加电场后由于电场和机械的相互作用而使材料击穿破坏的情形，击穿过程可以看成在外电场作用下诱导材料内部微裂纹成核，长大和传播而形成的。电机械击穿常发生于类橡胶等聚合物电介质中，是电场作用下麦克斯韦应力产生的机械形变造成的。我们知道，材料的断裂破坏是由于表面或内部的缺陷引发和传播所造成，本质是裂纹的拓Robert  M.等对介质陶瓷材料的裂纹与其电击穿之间的关系进行研究后，认为裂纹处的 Maxwell 应力会造成材料的机械破坏，从而引发电机械击穿。 

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弱点击穿理论 

      实际上，处在高电场下的绝缘介质的击穿由于电场分布不均匀特别是材料内部的不均匀性，导致击穿现象的分散性。研究人员从实践中提出了弱点击穿理论，该理论认为，不均匀固体电介质的击穿实际上是由材料的弱点击穿所造成，材料的弱点包括气孔、晶界、第二相以及裂纹等。由于弱点处场强集中，当弱点处的电场强度达到发生击穿的条件时，弱点处形成贯穿的通道从而出现介质材料击穿现象。由于介质陶瓷材料存在晶粒、晶界、第二相和气孔等使其微观结构比较杂，容易引发击穿的弱点多，从而影响陶瓷材料的电击穿强度。通常介质陶瓷材料的电击穿强度约为晶体材料的 1/10 至 1/100。 

      由于弱点的存在具有随机性，因此同一批原料制成介质陶瓷样品的击穿电压将受到弱点分布的影响。材料的尺寸越大，所包含的弱点可能就越多，对应的电击穿强度就越低。许多文献指出介质陶瓷的电击穿遵循弱点击穿理论，因为介质陶瓷材料的微观结构复杂，可引起击穿的缺陷多，因而有不同的机制，这就使得弱点引发的击穿理论变得十分复杂。根据介质陶瓷材料引发击穿的弱点类型和击穿的不同特征，主要分为气孔引发的电击穿，晶界引发的电击穿，裂纹引发的电击穿等。下面主要介绍气孔引发的击穿理论和晶界引发的击穿理论。 

（1）气孔引发的击穿理论 

目前发展起来的主要有串联气孔模型和气孔放电模型。气孔放电模型认为，在电场下，气孔内气体电离为导体，气孔表面产生感应电荷，由电场力和表面张力平衡得到电击穿强度的表达式 Eb=(16πγ/3εr)1/2（式中 Eb为电击穿强度(V/m，γ 为材料表面张力(N/m)，r 为气孔半径(m)）。实验表明，只有气孔半径合适（一般为 0.1μm）时，由此式计算的理论值才和实际值相符合。 串联气孔模型基于以下四个假设：①气孔是材料内部的唯缺陷②气孔的尺寸大小分布均匀，并均匀分布在材料中③气孔比周围介质电击穿强度低④气孔击穿以后，气孔内的电击穿强度为零。根据该模型，推测出介质陶瓷的击穿发生在气孔数量最多的路径上，击穿路径上有 x 个气孔的介质陶瓷的电击穿强度的计算公式为：

其中，Eb为所测样品的电击穿强度，E0为不含气孔的理想样品的电击穿强度，n为击穿通道上所含的以气孔平均直径为边的立方体数，xm为击穿通道上所含气孔的个数。所以，材料的气孔率越大，即 xm越大，则材料的电击穿强度就越低。 

（2）晶界引发的击穿理论 

        介质陶瓷是一种多晶多相的复合体系。Konorov等人研究了四种不同介电常数的钛酸盐的电击穿强度，得出电击穿强度与介电常数成反比的结论。他们认为电击穿强度与介电常数成反比不是由于材料内部气孔造成，而是由于晶界相的存在。考虑晶粒和晶界以串联方式连接，晶粒和晶界的场强与各自的介电常数成反比，由于晶粒的介电常数大于晶界，导致电场集中在晶界，从而击穿容易发生在晶界处。 

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