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电介质的击穿强度和电导率

发布时间:2022-10-13      点击次数:257

电介质的击穿强度和电导率

       电介质都是在一定的电场强度下工作,随着电场强度的增加,电介质有可能受到破坏,电介质在破坏时所对应的电场强度称为击穿强度。从前面内容可知,电介质的储能密度和所施加的电场强度有关,对线性材料,储能密度和电场的平方成正比,因此提高击穿强度对提高电介质的储能密度有重要的意义。根据击穿机理不同,电介质击穿可以分为电击穿、热击穿和机械击穿,然而在实际中,电介质的击穿往往是多种击穿机理共同作用的结果。 


       电介质击穿强度受温度、样品厚度影响。对聚合物而言,它的击穿强度随温度的增大而减小,并且这种减小不是线性的减小,在不同的温度范围,斜率不同,如图 1.7 所示。当温度比较低时(T<TC1),聚合物击穿主要以电击穿为主,击穿强度几乎不随温度变化;当温度变大时(TC1<T<TC2),聚合物击穿主要以热击穿为主,击穿强度随温度的增加而减小;当温度较高时(TC2<T),聚合物的击穿主要以机械击穿为主,击穿强度随温度的增加而迅速减小。聚合物的击穿强度通常随样品厚度的增大而减小,这主要是因为随着厚度的增加,绝缘层中发现缺陷或杂质的概率会增大,而缺陷和杂质的出现会大幅降低聚合物的击穿强度。聚合物击穿强度和厚度的关系可以用公式 1.11 来表示。

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其中,E 是击穿强度,d 是厚度,kd和 md是经验系数。

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       电介质的击穿强度常用两个参数的威布尔分布来处理。威布尔分布常用于可靠性评估,它的二参数表达式如公式 1.12  所示。

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      其中,P 是累计击穿概率,E 是电场强度,α 是尺度因子,代表累计击穿概率为63.2%时的击穿强度,也称为特征击穿强度,常用来表征电介质的击穿强度,β  是形状因子,用来表征击穿强度的分布情况,一般 β 值越大,击穿强度的分布越窄,材料的可靠性好。根据 IEEE  930-2004 标准,电介质的击穿概率可以用公式1.13 来简单的计算。

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       其中,i 是把所有击穿强度按递增排列,某个击穿强度对应地序号,n 是测试样品的总数。在处理数据的时候,通常是对测试点(Pi,E)进行拟合,得到尺度因子和形状因子,从而评估样品的击穿性能。 

        相对而言,聚合物比陶瓷电介质的击穿强度高,往聚合物中添加少量的纳米颗粒,可以进一步提高聚合物的击穿强度。这是因为纳米颗粒可以充当电子的散射点和捕捉陷阱,限制了电子的迁移能力。例如  Thomas  等把 5  wt%纳米氧化铝添加的环氧树脂中,可以提高环氧树脂的交流击穿强度。但这种提高并不是无限制的,Beier 等的研究结果显示,当纳米颗粒添加量比较小的时候,复合材料的击穿强度确实有所提高;当纳米颗粒的含量继续增加时,复合材料的击穿强度又有所下降。另外,复合材料的击穿强度还与界面结构有关。Siddabattuni等用含有不同官能团的亚磷酸处理二氧化钛,得到不同界面结构的环氧复合材料,经测试后得知,它们的击穿强度也不同;当界面处存在缺电子官能团的时候,复合材料的漏电电流减小、损耗减小、击穿强度增大。Ma 等也同样发现,往二氧化钛表面引入极性官能团,可以提高纳米复合材料的击穿强度。

        电导率是电介质的重要参数之一,根据电场的不同,可以分为直流电导和交流电导率。电介质内的载流子可能是电子、空穴、离子以及其他带电基团。在外加电场下,这些载流子朝一定方向迁移,形成漏电电流。直流电导率和测试电场有关,电场越大,电介质内可迁移的载流子越多,电导率也会相应的增大。除此之外,直流电导率还受测试时间影响,一般随时间的增大而减小,原因是部分载流子在电场的作用下迁移到电介质表面,使得内部的载流子数目减少。和交流电导率相比,直流电导率的数值比较小,相当于频率是零的时候的交流电导率。交流电导率的大小和频率有关,通常随频率增加而呈现增大的趋势。另外,交流电导率还和介电损耗因子有关,介电损耗因子越大,交流电导率也越大,其关系如公式 1.14 所示。半导体电介质的交流电导率在低频下会出现一个平台,电导率数值基本不随频率增大而变化,这个数值与该材料的直流电导率接近。这种情况下的交流电导和直流电导的关系可以用 Jonscher 规律来描述,如公式 1.15 所示,交流电导率可以认为是直流电导率和一个频率函数的总和。

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