擊穿強(qiáng)度結(jié)果及分析
交流短時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果
電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體，稱為電介質(zhì)擊穿，所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。電介質(zhì)擊穿時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度叫擊穿場(chǎng)強(qiáng)。不同電介質(zhì)在相同溫度下，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)不同。當(dāng)電容器介質(zhì)和兩極板的距離ｄ—定后，由u1-u2＝ed知，擊穿場(chǎng)強(qiáng)決定了擊穿電壓。擊穿場(chǎng)強(qiáng)通常又稱為電介質(zhì)的介電強(qiáng)度。測(cè)試時(shí)，采用zjc-150kv電壓擊穿試驗(yàn)儀，通過(guò)電氣控制柜持續(xù)以2kv/s的升壓速度升高電壓，記錄發(fā)生擊穿時(shí)的電壓值即擊穿電壓。根據(jù)試樣厚度、擊穿電壓以及擊穿強(qiáng)度公式，計(jì)算得到復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度。
測(cè)試時(shí)，保持樣品表面干燥清潔，電極無(wú)尖，實(shí)驗(yàn)溫度25±1℃，相對(duì)濕度50±5%，試樣樣品浸泡在變壓器油中，分別對(duì)同等納米填料含量的10個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)試。試樣的交流短時(shí)擊穿電壓威布爾分布如下圖所示。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，試樣的擊穿強(qiáng)度由未摻雜的31.5kv提高至36.5kv，穿電壓變化趨勢(shì)與局放起始電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，即隨著sio2填充量的增加，工頻擊穿電壓先增加，至5%填充量到達(dá)峰值，而后隨著納米填料比例的繼續(xù)增加，擊穿電壓又邊顯著下降趨勢(shì)。
擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果分析
對(duì)于摻雜納米粒子來(lái)提高環(huán)氧樹(shù)脂的擊穿性能，有很多科學(xué)工作者也都做過(guò)研究，王旗等研宄了在環(huán)氧樹(shù)脂中摻雜納米和微米氧化鋁對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂擊穿強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在環(huán)氧樹(shù)脂中摻雜納米氧化鋁會(huì)提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)，而摻雜微米氧化錯(cuò)會(huì)降低復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度。而且，當(dāng)納米氧化鋁顆粒含量較低時(shí)，加入納米氧化鋁顆粒到環(huán)氧樹(shù)脂降低了環(huán)氧樹(shù)脂的擊穿強(qiáng)度，當(dāng)納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5wt%時(shí)，納米氧化鋁/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度超過(guò)了純環(huán)氧樹(shù)脂的擊穿強(qiáng)度。他認(rèn)為這是電于由于納米氧化鋁顆粒具有更大的比表面積，能夠在大分子及其鏈之間形成緊密連接，阻止初始電子移動(dòng)，加入到環(huán)氧樹(shù)脂中后能消除環(huán)氧樹(shù)脂的部分缺陷，因此引入納米氧化鋁顆粒能提高環(huán)氧樹(shù)脂的擊穿強(qiáng)度與納米氧化鋁顆粒相比，單個(gè)微米氧化鋁顆粒過(guò)大，很難像納米氧化鋁顆粒一樣能與環(huán)氧樹(shù)脂形成緊密結(jié)構(gòu)。微米氧化鋁顆粒與環(huán)氧樹(shù)脂之間的松散結(jié)構(gòu)，不能像納米氧化鋁顆粒一樣移除，隨添加奮增大，反而引入更多導(dǎo)致環(huán)氧復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度降低的缺陷。該缺陷能夠使起始電子更容易移動(dòng)，并隨著起始電子的撞擊而引入更多的電子，從而降低了擊穿強(qiáng)度。納米氧化鋁提高了環(huán)氧樹(shù)脂的擊穿強(qiáng)度，而微米氧化招則降低了擊穿強(qiáng)度。也研究了微米、納米、微/納米a1203對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂擊穿強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻雜微米氧化鋁的復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度較純環(huán)氧樹(shù)脂降低了55%，由202.8kv降低到90.3kv；而在微/納米復(fù)合材料又較納米復(fù)合材料擊穿電壓略高；偶聯(lián)劑對(duì)擊穿強(qiáng)度的影響不大。他認(rèn)為是由于納米粒子具有更高的擊穿強(qiáng)度，阻擋了電樹(shù)枝和放電通道的生長(zhǎng)。
結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和酵前對(duì)于擊穿強(qiáng)度作用機(jī)理的研宄成果，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出如下討論。當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部不填加任何納米填料時(shí)，環(huán)氧固化物會(huì)由于固化不全而形成分子團(tuán)，在分子面之間，會(huì)形成缺陷，這在圖2-1中能清晰的看出，分子團(tuán)與分子團(tuán)之間都有較深的縫隙。由于這些缺陷的存在，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂的擊穿強(qiáng)度較低。
當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂中摻雜納米粒子后，環(huán)氧樹(shù)脂擊穿電壓升高,—方面是納米粒子的形態(tài)緊，擊穿強(qiáng)度很高，預(yù)放電通道、電樹(shù)枝等可被納米填料中斷，其模型如下圖所示：
另一方面，聚合物中摻雜納米粒子引入了大量陷阱或者使原有的陷阱能級(jí)變深，由于載流子的入陷和出陷，使得載流子自由程變短，遷移率降低，在電場(chǎng)作用下積累的動(dòng)能也降低，減少了載流子對(duì)聚合物分予鏈的撞擊破壞，從而提高了擊穿場(chǎng)強(qiáng)。
當(dāng)添加量進(jìn)一歩増加時(shí)（超過(guò)5wt%），復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度開(kāi)始下降，這可能是兩方面原因造成的。首先，當(dāng)納米粒子摻雜量較大時(shí)，由于其表面能大，納米粒子開(kāi)始團(tuán)聚，使得納米粒子具有的小尺寸效應(yīng)消失，并且在復(fù)合材料內(nèi)部引入了缺陷，從而使擊穿強(qiáng)度降低。其次，隨著導(dǎo)電粒子濃度的增加，導(dǎo)電粒子之間開(kāi)始相互接觸，能形成連續(xù)導(dǎo)電逾滲網(wǎng)絡(luò)，從而使材料的擊穿強(qiáng)度又逐漸降低。