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1 測(cè)試方法及擊穿理論

采用二電極系統(tǒng)測(cè)試試樣的工頻交流擊穿電壓,，其上,、下電極的直徑分別為 25mm,、45mm,。為防止電暈放電影響擊穿電壓的數(shù)值,，將整個(gè)電極系統(tǒng)置于過(guò)濾干凈的變壓器油中，并用細(xì)砂紙對(duì)電極系統(tǒng)進(jìn)行打磨,。旋轉(zhuǎn)升壓器提高電壓直至試樣擊穿,，升壓速率為 1kV/s，記錄擊穿時(shí)的電壓值,。

擊穿場(chǎng)強(qiáng)是表征材料絕緣性能的重要之指標(biāo),，定義為試樣發(fā)生擊穿時(shí)電壓與試樣厚度的距離之比，以 E 表示平均擊穿場(chǎng)強(qiáng),，計(jì)算公式如(4-1)所示,。

式中：U 為擊穿電壓；d 為試樣厚度,。

通過(guò)以上方法得到的擊穿數(shù)據(jù)有一定的離散性,，為得到一個(gè)確切的數(shù)值表征材料的耐電壓強(qiáng)度，采用Weibull分布模型分析所得到的擊穿數(shù)據(jù)[,，如式(4-2)所示,。

式中：E 為測(cè)試試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；P(E)為試樣在該電場(chǎng)下的失效概率,；γ 為形狀參數(shù),，表征該試樣擊穿數(shù)據(jù)的離散程度；E0為特征擊穿場(chǎng)強(qiáng),，即 P(E)=63.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng),。對(duì)式(4-2)移項(xiàng)并取對(duì)數(shù)可得式(4-3)。

固體電介質(zhì)碰撞電離擊穿理論指出,，在外電場(chǎng)的作用下,，可遷移的電子在平均自由行程內(nèi)累積較高的能量，引起碰撞電離,，是造成介質(zhì)擊穿的原因,。依據(jù)前文對(duì)于電導(dǎo)的分析，外界場(chǎng)強(qiáng)較低,、溫度較低時(shí),，復(fù)合材料電導(dǎo)以弱束縛離子離解和離子躍遷為主，由于離子體積大,、平均自由行程短,，載流子的定向移動(dòng)過(guò)程中獲得的動(dòng)能小，所引起的碰撞電離有限,，無(wú)法解釋材料的擊穿現(xiàn)象,。

復(fù)合材料發(fā)生碰撞電離擊穿有兩個(gè)必要條件，一是介質(zhì)內(nèi)有足夠多可遷移的初始電子,，二是電子從外電場(chǎng)中獲得足夠的能量引發(fā)碰撞電離,。本文研究的試樣具有高碳化硅含量的特性,，禁帶比聚合物窄，試樣初始電子的來(lái)源有很大不同,；而蒙脫土納米片層的界面區(qū)引入大量陷阱,，對(duì)電子的自由行程產(chǎn)生影響。低場(chǎng)下,，電子脫陷比較困難,；高場(chǎng)下，電子有一定幾率通過(guò)隧道效應(yīng)穿越勢(shì)壘不損失能量,，繼續(xù)在外場(chǎng)作用下累積動(dòng)能,，引發(fā)碰撞電離，導(dǎo)致試樣擊穿,。

2 擊穿特性分析

圖 4-1,、4-2、4-3,、4-4 分別為不同微納復(fù)合,、不同碳化硅晶型、不同碳化硅含量,、不同蒙脫土含量試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的 Weibull 曲線,。

從測(cè)試結(jié)果中可以看出，EP/5M 比 EP 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)無(wú)明顯的變化,，但蒙脫土的引入使復(fù)合材料的擊穿數(shù)據(jù)更加集中,；EP/α3-S100、EP/β-S100 比 EP 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大幅下降,，碳化硅的引入使基體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低,，碳化硅含量越高，擊穿場(chǎng)強(qiáng)越低,。EP/5M/α3-S100,、EP/5M/β-S100 比 EP/α3-S100、EP/β-S100 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)上升,，但仍未超過(guò) EP 試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng),，說(shuō)明蒙脫土的引入有助于提高復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，且擊穿數(shù)據(jù)更加集中,；隨著蒙脫土含量的增加，復(fù)合材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)了先升高后降低的趨勢(shì),。

分析認(rèn)為,，強(qiáng)場(chǎng)下因場(chǎng)致電子發(fā)射或熱電子發(fā)射使得介質(zhì)導(dǎo)帶內(nèi)存在一定數(shù)量的電子，晶格被電場(chǎng)中獲得能量加速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊產(chǎn)生振動(dòng),。晶格獲得能量振動(dòng),，電子失去能量動(dòng)能消失,，當(dāng)兩者存在平衡關(guān)系時(shí),，復(fù)合材料具有穩(wěn)定的電導(dǎo)率。如前文中所敘述的相同,；當(dāng)電子從電場(chǎng)獲得的能量遠(yuǎn)大于晶格獲得的能量時(shí)，電子與晶格作用后產(chǎn)生新的電子,，介質(zhì)內(nèi)部電子數(shù)量迅速增加,，試樣開(kāi)始發(fā)生擊穿。常溫下,，碳化硅內(nèi)雜質(zhì)離子可離解產(chǎn)生電子到達(dá)晶粒的導(dǎo)帶,，在外電場(chǎng)作用下獲得動(dòng)能并射入聚合物中。而常溫下聚合物需要更高的場(chǎng)強(qiáng)才能出現(xiàn)初始電子,，即復(fù)合試樣因碳化硅的引入存在大量初始電子,，使 SiC/EP復(fù)合試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比 EP 試樣低得多。

測(cè)試結(jié)果表明 EP/5M 試樣與 EP 試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)相近,，但并不意味著蒙脫土對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有影響,。蒙脫土加入到基體中，一方面蒙脫土?xí)腚s質(zhì)離解,，提升初始電子的數(shù)量,，降低擊穿強(qiáng)度；另一方面界面區(qū)的陷阱可捕獲電子降低初始電子的數(shù)量,，從而提高擊穿場(chǎng)強(qiáng),，這一點(diǎn)在高碳化硅含量試樣的擊穿實(shí)驗(yàn)中得到印證。碳化硅提供了大量初始電子,，與之相比,，蒙脫土引入的電子數(shù)量少，不占主導(dǎo)作用,。此時(shí)界面區(qū)的陷阱捕獲電子,，降低初始電子數(shù)量，導(dǎo)致電子的平均自由行程變小,，電子在行程之間獲得的能量變低,，無(wú)法在與晶格的碰撞過(guò)程中產(chǎn)生新的電子，使得 SiC/MMT/EP 微納米復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比 SiC/EP 微米復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大,。