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電介質的擊穿強度和電導率
電介質的擊穿強度和電導率
電介質都是在一定的電場強度下工作，隨著電場強度的增加，電介質有可能受到破壞，電介質在破壞時所對應的電場強度稱為擊穿強度。從前面內(nèi)容可知，電介質的儲能密度和所施加的電場強度有關，對線性材料，儲能密度和電場的平方成正比，因此提高擊穿強度對提高電介質的儲能密度有重要的意義。根據(jù)擊穿機理不同，電介質擊穿可以分為電擊穿、熱擊穿和機械擊穿，然而在實際中，電介質的擊穿往往是多種擊穿機理共同作用的結果。
電介質擊穿強度受溫度、樣品厚度影響。對聚合物而言，它的擊穿強度隨溫度的增大而減小，并且這種減小不是線性的減小，在不同的溫度范圍，斜率不同，如圖 1.7 所示。當溫度比較低時（T<TC1），聚合物擊穿主要以電擊穿為主，擊穿強度幾乎不隨溫度變化；當溫度變大時（TC1<T<TC2），聚合物擊穿主要以熱擊穿為主，擊穿強度隨溫度的增加而減??；當溫度較高時（TC2<T），聚合物的擊穿主要以機械擊穿為主，擊穿強度隨溫度的增加而迅速減小。聚合物的擊穿強度通常隨樣品厚度的增大而減小，這主要是因為隨著厚度的增加，絕緣層中發(fā)現(xiàn)缺陷或雜質的概率會增大，而缺陷和雜質的出現(xiàn)會大幅降低聚合物的擊穿強度。聚合物擊穿強度和厚度的關系可以用公式 1.11 來表示。
其中，E 是擊穿強度，d 是厚度，kd和 md是經(jīng)驗系數(shù)。
電介質的擊穿強度常用兩個參數(shù)的威布爾分布來處理。威布爾分布常用于可靠性評估，它的二參數(shù)表達式如公式 1.12 所示。
其中，P 是累計擊穿概率，E 是電場強度，α 是尺度因子，代表累計擊穿概率為63.2%時的擊穿強度，也稱為特征擊穿強度，常用來表征電介質的擊穿強度，β 是形狀因子，用來表征擊穿強度的分布情況，一般 β 值越大，擊穿強度的分布越窄，材料的可靠性好。根據(jù) IEEE 930-2004 標準，電介質的擊穿概率可以用公式1.13 來簡單的計算。
其中，i 是把所有擊穿強度按遞增排列，某個擊穿強度對應地序號，n 是測試樣品的總數(shù)。在處理數(shù)據(jù)的時候，通常是對測試點（Pi，E）進行擬合，得到尺度因子和形狀因子，從而評估樣品的擊穿性能。
相對而言，聚合物比陶瓷電介質的擊穿強度高，往聚合物中添加少量的納米顆粒，可以進一步提高聚合物的擊穿強度。這是因為納米顆粒可以充當電子的散射點和捕捉陷阱，限制了電子的遷移能力。例如 Thomas 等把 5 wt%納米氧化鋁添加的環(huán)氧樹脂中，可以提高環(huán)氧樹脂的交流擊穿強度。但這種提高并不是無限制的，Beier 等的研究結果顯示，當納米顆粒添加量比較小的時候，復合材料的擊穿強度確實有所提高；當納米顆粒的含量繼續(xù)增加時，復合材料的擊穿強度又有所下降。另外，復合材料的擊穿強度還與界面結構有關。Siddabattuni等用含有不同官能團的亞磷酸處理二氧化鈦，得到不同界面結構的環(huán)氧復合材料，經(jīng)測試后得知，它們的擊穿強度也不同；當界面處存在缺電子官能團的時候，復合材料的漏電電流減小、損耗減小、擊穿強度增大。Ma 等也同樣發(fā)現(xiàn)，往二氧化鈦表面引入極性官能團，可以提高納米復合材料的擊穿強度。
電導率是電介質的重要參數(shù)之一，根據(jù)電場的不同，可以分為直流電導和交流電導率。電介質內(nèi)的載流子可能是電子、空穴、離子以及其他帶電基團。在外加電場下，這些載流子朝一定方向遷移，形成漏電電流。直流電導率和測試電場有關，電場越大，電介質內(nèi)可遷移的載流子越多，電導率也會相應的增大。除此之外，直流電導率還受測試時間影響，一般隨時間的增大而減小，原因是部分載流子在電場的作用下遷移到電介質表面，使得內(nèi)部的載流子數(shù)目減少。和交流電導率相比，直流電導率的數(shù)值比較小，相當于頻率是零的時候的交流電導率。交流電導率的大小和頻率有關，通常隨頻率增加而呈現(xiàn)增大的趨勢。另外，交流電導率還和介電損耗因子有關，介電損耗因子越大，交流電導率也越大，其關系如公式 1.14 所示。半導體電介質的交流電導率在低頻下會出現(xiàn)一個平臺，電導率數(shù)值基本不隨頻率增大而變化，這個數(shù)值與該材料的直流電導率接近。這種情況下的交流電導和直流電導的關系可以用 Jonscher 規(guī)律來描述，如公式 1.15 所示，交流電導率可以認為是直流電導率和一個頻率函數(shù)的總和。
