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擊穿電壓強(qiáng)度和介電強(qiáng)度的類(lèi)型和影響因素
閱讀：9201發(fā)布時(shí)間：2022-10-21
擊穿電壓強(qiáng)度和介電強(qiáng)度的類(lèi)型和影響因素?
一、介電擊穿
在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,，電介質(zhì)喪失電絕緣能力,，電介質(zhì)的電導(dǎo)突然增大甚至引起結(jié)構(gòu)損壞或破碎，稱(chēng)為介電擊穿,。
a.可用擊穿效應(yīng)來(lái)破碎非金屬礦石等
b.擊穿是標(biāo)志電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下保持絕緣性能的極限能力,，是決定電力設(shè)備，電子元器件最終使用壽命的重要因素,。
二,、.擊穿電壓
導(dǎo)致?lián)舸┑牡团R界電壓稱(chēng)為擊穿電壓
三、介電強(qiáng)度
電介質(zhì)能夠經(jīng)受而不致?lián)p壞的最大電場(chǎng)稱(chēng)為擊穿場(chǎng)強(qiáng),即介電強(qiáng)度Ec,，是絕緣性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)志,。
均勻電場(chǎng)介電強(qiáng)度:擊穿電壓與固體電介質(zhì)厚度之比稱(chēng)為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱(chēng)擊穿場(chǎng)強(qiáng),，又稱(chēng)介電強(qiáng)度），它反映固體電介質(zhì)自身的耐電強(qiáng)度,。
不均勻電場(chǎng)介電強(qiáng)度:擊穿電壓與擊穿處固體電介質(zhì)厚度之比稱(chēng)為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng),，它低于均勻電場(chǎng)中固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)度。
固體電介質(zhì)的擊穿類(lèi)型及影響因素?
熱擊穿,、電擊穿和電化學(xué)擊穿
（一） 固體電介質(zhì)的熱擊穿
發(fā)生在高頻,、高壓下。熱擊穿的核心問(wèn)題是散熱問(wèn)題.
1）熱擊穿的本質(zhì)
在電場(chǎng)作用下,，固體電介質(zhì)承受的電場(chǎng)強(qiáng)度雖不足以發(fā)生電擊穿,，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過(guò)高而導(dǎo)致失去絕緣能力,，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài),。
2）熱擊穿過(guò)程
固體電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下將因電導(dǎo)和極化損耗而發(fā)熱。
A.外加電場(chǎng)為E3>Ec
固體電介質(zhì)中的發(fā)熱量Q1大于散熱量Q2 ,，介質(zhì)溫度上升,，且因Q1 始終大于Q2，所以固體電介質(zhì)的溫度不斷上升,，最終介質(zhì)被燒焦,、燒熔、或燒裂,，喪失絕緣性能,，發(fā)生熱擊穿。
Q1：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)固體電介質(zhì)的發(fā)熱量
Q2:單位時(shí)間內(nèi)固體電介質(zhì)的散熱量
E3 > Ec > E1
B.外加電場(chǎng)為E1< Ec
雖然開(kāi)始時(shí)Q1>Q2 ,，固體電介質(zhì)溫度上升,；但當(dāng)溫度度升到Tc時(shí)，發(fā)熱量與散熱量 相等,，建立起了熱平衡,。此時(shí)，若介質(zhì)能耐受溫度Tc的作用,，則固體電介質(zhì)能正常工作,，不會(huì)發(fā)生熱擊穿。
介質(zhì)中發(fā)熱與散熱平衡關(guān)系示意圖
C.外加電壓為等于Ec
當(dāng)介質(zhì)溫度升到Tc時(shí),，建立起了熱平衡,，但不穩(wěn)定。溫度略有升高,，發(fā)熱量Q1即大于散熱量Q2,，最終仍然發(fā)生熱擊穿。電場(chǎng)強(qiáng)度Ec是發(fā)生熱擊穿的臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec 。
3）熱擊穿電壓
1）溫度不均勻的厚膜介質(zhì)
A,，B是與材料有關(guān)的常數(shù),。
(1)熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度升高而降低。
(2)熱擊穿電壓大致不隨介質(zhì)的厚度變化,。
2.溫度均勻薄膜介質(zhì)
e為自然對(duì)數(shù)的底,， Uc隨試樣厚度的平方根而變化。
（二） 固體介質(zhì)的電擊穿
電擊穿 取決于固體電介質(zhì)中碰撞電離的一種擊穿形式,。電場(chǎng)使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和足夠能量的自由電子,，導(dǎo)致電介質(zhì)喪失絕緣性能。
1）電擊穿的本質(zhì)
電擊穿是介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下, 被擊發(fā)出自由電子而引起.
電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子在強(qiáng)外電場(chǎng)加速下得到能量,。若電子與點(diǎn)陣碰撞損失的能量小于電子在電場(chǎng)加速過(guò)程中所增加的能量,，則電子繼續(xù)被加速而積累起相當(dāng)大的動(dòng)能，足以在電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生碰撞電離,，形成電子雪崩現(xiàn)象,。結(jié)果電導(dǎo)急劇上升，最后導(dǎo)致?lián)舸?/p>
2）電擊穿的過(guò)程
1)外加電場(chǎng)為 E2 > Ec
一部分傳導(dǎo)電子的能量處于W2 ～Wc 之間,，單位時(shí)間內(nèi)這些電子取得的能量A始終大于失去的能量B，電子被加速,，碰撞晶格時(shí)產(chǎn)生電離,，使處于導(dǎo)帶的電子不斷增加，電流急劇上升,，最終導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿,。
2)外加電場(chǎng)為E1 < Ec 時(shí)，
雖然偶而會(huì)有能量大于W1 的電子出現(xiàn),，且因此時(shí)A > B而使晶格發(fā)生碰撞電離,、產(chǎn)生新的傳導(dǎo)電子；但因電子能量大于W1 的概率很低,所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過(guò)程很難出現(xiàn),，固體電介質(zhì)不會(huì)擊穿,。
A:單位時(shí)間內(nèi)這些電子取得的能量
B:單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子失去的能量
E:電場(chǎng)強(qiáng)度
W:電子本身能量
T:晶格溫度
介電強(qiáng)度:處于臨界狀態(tài)的Ec 即為固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)度
3）擊穿場(chǎng)強(qiáng)
A.本征電擊穿理論
多發(fā)生在溫度較低、電壓作用時(shí)間較短時(shí),，純凈,、均勻固體電介質(zhì)中。
當(dāng)電場(chǎng)上升到使平衡破壞時(shí),，碰撞電離過(guò)程便立即發(fā)生,。把這一起始場(chǎng)強(qiáng)作為介質(zhì)電擊穿場(chǎng)強(qiáng)的理論即為本征擊穿理論.
本征電擊穿場(chǎng)強(qiáng)，隨溫度升高而降低,。
B. “雪崩"電擊穿理論
電擊穿判據(jù)：
1）“雪崩"電擊穿理論以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增到一定數(shù)值（足以破壞介質(zhì)絕緣狀態(tài)）作為電擊穿判據(jù),。
2）Seitz提出以電子“崩"傳遞給介質(zhì)的能量足以破壞介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)。
“雪崩"電擊穿和本征電擊穿在理論上有明顯的區(qū)別：
本征擊穿理論中增加導(dǎo)電電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生的，而“雪崩"擊穿是考慮到高場(chǎng)強(qiáng)時(shí),，導(dǎo)電電子倍增過(guò)程逐漸達(dá)到難以忍受的程度,，最終介質(zhì)晶格破壞。
“四十代理論"
從陰極出發(fā)的電子,，一方面進(jìn)行“雪崩"倍增,；另一方面向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。
由陰極出發(fā)的初始電子,，在其向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到40次，介質(zhì)便擊穿,。一般用來(lái)說(shuō)明“雪崩"擊穿的形成,，并稱(chēng)之為“四十代理論"。
由“四十代理論"可以推斷,，當(dāng)介質(zhì)很薄時(shí),，碰撞電離不足以發(fā)展到四十代，電子崩已進(jìn)入陽(yáng)極復(fù)合,，此時(shí)介質(zhì)不能擊穿,，即這時(shí)的介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)將要提高。
（三）電化學(xué)擊穿
1）電化學(xué)擊穿本質(zhì)
在電場(chǎng),、溫度等因素作用下,，固體電介質(zhì)因緩慢的化學(xué)變化，而引起其電氣性能逐漸劣化,，最終由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)體狀態(tài)的過(guò)程,。
2）電化學(xué)擊穿過(guò)程
包括兩部分：因固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而引起的電介質(zhì)老化；
與老化有關(guān)的擊穿過(guò)程,。
電介質(zhì)中強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電流在例如高溫等某些條件下可以引起電化學(xué)反應(yīng),。
化學(xué)老化擊穿過(guò)程
1）直流電壓下， 固體電介質(zhì)因離子電導(dǎo)而發(fā)生電解,，結(jié)果在電極附近形成導(dǎo)電的金屬樹(shù)狀物,，甚至從一個(gè)電極伸展到另一個(gè)電極。結(jié)果在兩電極間構(gòu)成導(dǎo)電的通路
2）在電場(chǎng)作用下,，固體電介質(zhì)內(nèi)部的氣泡中,， 或不同固體電介質(zhì)之間的氣隙或油隙中，會(huì)發(fā)生局部放電,，造成局部電導(dǎo)增加而出現(xiàn)局部擊穿,，并逐漸擴(kuò)展成*擊穿。
溫度越高,，電壓作用時(shí)間越長(zhǎng),，化學(xué)形成的擊穿也越容易發(fā)生,。
離子陶瓷材料的電化學(xué)老化現(xiàn)象
指在電場(chǎng)作用下，由于化學(xué)變化引起材料電性能不可逆的惡化,。
電化學(xué)老化的原因
(1)陽(yáng)離子-陽(yáng)離子電導(dǎo)
參加導(dǎo)電的為陽(yáng)離子,。同時(shí)電極的Ag+也能參與漏導(dǎo)。最后兩種離子在陰極處都被電子中和,，形成新物質(zhì),。
(2)陰離子-陽(yáng)離子電導(dǎo)
參加導(dǎo)電的既有正離子，也有負(fù)離子,。它們分別在陰極,、陽(yáng)極被中和，形成新物質(zhì),。
(3)電子-陽(yáng)離于電導(dǎo)
參加導(dǎo)電的為一種陽(yáng)離子,，還有電子。例如含鈦陶瓷,，陽(yáng)離子Ti 4+發(fā)生電還原過(guò)程
Ti 4+ + e → Ti 3+
(4)電子-陰離子電導(dǎo)
參加導(dǎo)電的為一種陰離子,，還有電子。例如TiO2在高溫下發(fā)生缺氧過(guò)程,，在高溫下,，氧離子在陽(yáng)極放出氧氣和電子，在陰極Ti 4+被還原成Ti 3+
陰極 4 Ti 4+ + 4e → 4 Ti 3+
陽(yáng)極 2O 2- → O2 ↑ + 4e
電化學(xué)老化的必要條件
介質(zhì)中的離子至少有一種參加電導(dǎo),。如果電導(dǎo)純屬電子,，則電化學(xué)者化不可能發(fā)生。
三,、影響擊穿電壓強(qiáng)度和介電強(qiáng)度的因素
同一種電介質(zhì)中發(fā)生何種形式的擊穿，取決于不同的外界因素,。隨著擊穿過(guò)程中固固體電介質(zhì)內(nèi)部的變化,，擊穿過(guò)程可以從一種形式轉(zhuǎn)為另一種形式。
四,、提高擊穿電壓強(qiáng)度和介電強(qiáng)度措施
根據(jù)固體電介質(zhì)的擊穿形式及影響擊穿電壓的因素,，提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要措施有：
1改善電場(chǎng)電場(chǎng)分布，如電極邊緣的固體電介質(zhì)表面涂半導(dǎo)電漆,；
2調(diào)整多層絕緣中各層電介質(zhì)所承受的電壓,；
3對(duì)多孔性、纖維性材料晶干燥后浸油,、浸漆,。以防止吸潮，提高局部放電起始電壓,；
4加強(qiáng)冷卻,，提高熱擊穿電壓；
5改善環(huán)境條件，防止高溫,，避免潮氣﹑臭氧等有害物質(zhì)的侵蝕,。
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