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值，將整個電極系統置于過濾干凈的變壓器油中，并用細砂紙對電極系統進行打磨。旋轉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。

擊穿場強是表征材料絕緣性能的重要之指標，定義為試樣發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，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據有一定的離散性，為得到一個確切的數值表征材料的耐電壓強度，采用Weibull分布模型分析所得到的擊穿數據[，如式(4-2)所示。

式中：E 為測試試樣的擊穿場強；P(E)為試樣在該電場下的失效概率；γ 為形狀參數，表征該試樣擊穿數據的離散程度；E0為特征擊穿場強，即 P(E)=63.2%時所對應的擊穿場強。對式(4-2)移項并取對數可得式(4-3)。

固體電介質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累積較高的能量，引起碰撞電離，是造成介質擊穿的原因。依據前文對于電導的分析，外界場強較低、溫度較低時，復合材料電導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象。

復合材料發生碰撞電離擊穿有兩個必要條件，一是介質內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引入大量陷阱，對電子的自由行程產生影響。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穿越勢壘不損失能量，繼續在外場作用下累積動能，引發碰撞電離，導致試樣擊穿。

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的 Weibull 曲線。

從測試結果中可以看出，EP/5M 比 EP 的擊穿場強無明顯的變化，但蒙脫土的引入使復合材料的擊穿數據更加集中；EP/α3-S100、EP/β-S100 比 EP 的擊穿場強大幅下降，碳化硅的引入使基體的擊穿場強降低，碳化硅含量越高，擊穿場強越低。EP/5M/α3-S100、EP/5M/β-S100 比 EP/α3-S100、EP/β-S100 的擊穿場強上升，但仍未超過 EP 試樣的擊穿場強，說明蒙脫土的引入有助于提高復合材料的擊穿場強，且擊穿數據更加集中；隨著蒙脫土含量的增加，復合材料擊穿場強出現了先升高后降低的趨勢。

分析認為，強場下因場致電子發射或熱電子發射使得介質導帶內存在一定數量的電子，晶格被電場中獲得能量加速運動的電子撞擊產生振動。晶格獲得能量振動，電子失去能量動能消失，當兩者存在平衡關系時，復合材料具有穩定的電導率。如前文中所敘述的相同；當電子從電場獲得的能量遠大于晶格獲得的能量時，電子與晶格作用后產生新的電子，介質內部電子數量迅速增加，試樣開始發生擊穿。常溫下，碳化硅內雜質離子可離解產生電子到達晶粒的導帶，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才能出現初始電子，即復合試樣因碳化硅的引入存在大量初始電子，使 SiC/EP復合試樣的擊穿場強比 EP 試樣低得多。

測試結果表明 EP/5M 試樣與 EP 試樣的擊穿場強相近，但并不意味著蒙脫土對環氧樹脂試樣的擊穿場強沒有影響。蒙脫土加入到基體中，一方面蒙脫土會引入雜質離解，提升初始電子的數量，降低擊穿強度；另一方面界面區的陷阱可捕獲電子降低初始電子的數量，從而提高擊穿場強，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量少，不占主導作用。此時界面區的陷阱捕獲電子，降低初始電子數量，導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生新的電子，使得 SiC/MMT/EP 微納米復合材料的擊穿場強比 SiC/EP 微米復合材料的擊穿場強大。