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電壓擊穿試驗儀測試方法及擊穿理論
1 測試方法及擊穿理論
采用二電極系統(tǒng)測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，將整個電極系統(tǒng)置于過濾干凈的變壓器油中，并用細(xì)砂紙對電極系統(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，記錄擊穿時的電壓值。
擊穿場強(qiáng)是表征材料絕緣性能的重要之指標(biāo)，定義為試樣發(fā)生擊穿時電壓與試樣厚度的距離之比，以 E 表示平均擊穿場強(qiáng)，計算公式如(4-1)所示。
式中：U 為擊穿電壓；d 為試樣厚度。
通過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 為測試試樣的擊穿場強(qiáng)；P(E)為試樣在該電場下的失效概率；γ 為形狀參數(shù)，表征該試樣擊穿數(shù)據(jù)的離散程度；E0為特征擊穿場強(qiáng)，即 P(E)=63.2%時所對應(yīng)的擊穿場強(qiáng)。對式(4-2)移項并取對數(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)前文對于電導(dǎo)的分析，外界場強(qiáng)較低、溫度較低時，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，載流子的定向移動過程中獲得的動能小，所引起的碰撞電離有限，無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，對電子的自由行程產(chǎn)生影響。低場下，電子脫陷比較困難；高場下，電子有一定幾率通過隧道效應(yīng)穿越勢壘不損失能量，繼續(xù)在外場作用下累積動能，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強(qiáng)的 Weibull 曲線。
從測試結(jié)果中可以看出，EP/5M 比 EP 的擊穿場強(qiáng)無明顯的變化，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 的擊穿場強(qiáng)大幅下降，碳化硅的引入使基體的擊穿場強(qiáng)降低，碳化硅含量越高，擊穿場強(qiáng)越低。EP/5M/α3-S100、EP/5M/β-S100 比 EP/α3-S100、EP/β-S100 的擊穿場強(qiáng)上升，但仍未超過 EP 試樣的擊穿場強(qiáng)，說明蒙脫土的引入有助于提高復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)，且擊穿數(shù)據(jù)更加集中；隨著蒙脫土含量的增加，復(fù)合材料擊穿場強(qiáng)出現(xiàn)了先升高后降低的趨勢。
分析認(rèn)為，強(qiáng)場下因場致電子發(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，晶格被電場中獲得能量加速運動的電子撞擊產(chǎn)生振動。晶格獲得能量振動，電子失去能量動能消失，當(dāng)兩者存在平衡關(guān)系時，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)電子從電場獲得的能量遠(yuǎn)大于晶格獲得的能量時，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，在外電場作用下獲得動能并射入聚合物中。而常溫下聚合物需要更高的場強(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)合試樣的擊穿場強(qiáng)比 EP 試樣低得多。
測試結(jié)果表明 EP/5M 試樣與 EP 試樣的擊穿場強(qiáng)相近，但并不意味著蒙脫土對環(huán)氧樹脂試樣的擊穿場強(qiáng)沒有影響。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，從而提高擊穿場強(qiáng)，這一點在高碳化硅含量試樣的擊穿實驗中得到印證。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，無法在與晶格的碰撞過程中產(chǎn)生新的電子，使得 SiC/MMT/EP 微納米復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)比 SiC/EP 微米復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)大。