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電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度和電導(dǎo)率
電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度和電導(dǎo)率
電介質(zhì)都是在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下工作，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電介質(zhì)有可能受到破壞，電介質(zhì)在破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度稱為擊穿強(qiáng)度。從前面內(nèi)容可知，電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度和所施加的電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，對(duì)線性材料，儲(chǔ)能密度和電場(chǎng)的平方成正比，因此提高擊穿強(qiáng)度對(duì)提高電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度有重要的意義。根據(jù)擊穿機(jī)理不同，電介質(zhì)擊穿可以分為電擊穿、熱擊穿和機(jī)械擊穿，然而在實(shí)際中，電介質(zhì)的擊穿往往是多種擊穿機(jī)理共同作用的結(jié)果。
電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度受溫度、樣品厚度影響。對(duì)聚合物而言，它的擊穿強(qiáng)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(dāng)溫度比較低時(shí)（T<TC1），聚合物擊穿主要以電擊穿為主，擊穿強(qiáng)度幾乎不隨溫度變化；當(dāng)溫度變大時(shí)（TC1<T<TC2），聚合物擊穿主要以熱擊穿為主，擊穿強(qiáng)度隨溫度的增加而減?。划?dāng)溫度較高時(shí)（TC2<T），聚合物的擊穿主要以機(jī)械擊穿為主，擊穿強(qiáng)度隨溫度的增加而迅速減小。聚合物的擊穿強(qiáng)度通常隨樣品厚度的增大而減小，這主要是因?yàn)殡S著厚度的增加，絕緣層中發(fā)現(xiàn)缺陷或雜質(zhì)的概率會(huì)增大，而缺陷和雜質(zhì)的出現(xiàn)會(huì)大幅降低聚合物的擊穿強(qiáng)度。聚合物擊穿強(qiáng)度和厚度的關(guān)系可以用公式 1.11 來(lái)表示。
其中，E 是擊穿強(qiáng)度，d 是厚度，kd和 md是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度常用兩個(gè)參數(shù)的威布爾分布來(lái)處理。威布爾分布常用于可靠性評(píng)估，它的二參數(shù)表達(dá)式如公式 1.12 所示。
其中，P 是累計(jì)擊穿概率，E 是電場(chǎng)強(qiáng)度，α 是尺度因子，代表累計(jì)擊穿概率為63.2%時(shí)的擊穿強(qiáng)度，也稱為特征擊穿強(qiáng)度，常用來(lái)表征電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度，β 是形狀因子，用來(lái)表征擊穿強(qiáng)度的分布情況，一般 β 值越大，擊穿強(qiáng)度的分布越窄，材料的可靠性好。根據(jù) IEEE 930-2004 標(biāo)準(zhǔn)，電介質(zhì)的擊穿概率可以用公式1.13 來(lái)簡(jiǎn)單的計(jì)算。
其中，i 是把所有擊穿強(qiáng)度按遞增排列，某個(gè)擊穿強(qiáng)度對(duì)應(yīng)地序號(hào)，n 是測(cè)試樣品的總數(shù)。在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，通常是對(duì)測(cè)試點(diǎn)（Pi，E）進(jìn)行擬合，得到尺度因子和形狀因子，從而評(píng)估樣品的擊穿性能。
相對(duì)而言，聚合物比陶瓷電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度高，往聚合物中添加少量的納米顆粒，可以進(jìn)一步提高聚合物的擊穿強(qiáng)度。這是因?yàn)榧{米顆?？梢猿洚?dāng)電子的散射點(diǎn)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(shù)脂中，可以提高環(huán)氧樹(shù)脂的交流擊穿強(qiáng)度。但這種提高并不是無(wú)限制的，Beier 等的研究結(jié)果顯示，當(dāng)納米顆粒添加量比較小的時(shí)候，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度確實(shí)有所提高；當(dāng)納米顆粒的含量繼續(xù)增加時(shí)，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度又有所下降。另外，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度還與界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。Siddabattuni等用含有不同官能團(tuán)的亞磷酸處理二氧化鈦，得到不同界面結(jié)構(gòu)的環(huán)氧復(fù)合材料，經(jīng)測(cè)試后得知，它們的擊穿強(qiáng)度也不同；當(dāng)界面處存在缺電子官能團(tuán)的時(shí)候，復(fù)合材料的漏電電流減小、損耗減小、擊穿強(qiáng)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(tuán)，可以提高納米復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度。
電導(dǎo)率是電介質(zhì)的重要參數(shù)之一，根據(jù)電場(chǎng)的不同，可以分為直流電導(dǎo)和交流電導(dǎo)率。電介質(zhì)內(nèi)的載流子可能是電子、空穴、離子以及其他帶電基團(tuán)。在外加電場(chǎng)下，這些載流子朝一定方向遷移，形成漏電電流。直流電導(dǎo)率和測(cè)試電場(chǎng)有關(guān)，電場(chǎng)越大，電介質(zhì)內(nèi)可遷移的載流子越多，電導(dǎo)率也會(huì)相應(yīng)的增大。除此之外，直流電導(dǎo)率還受測(cè)試時(shí)間影響，一般隨時(shí)間的增大而減小，原因是部分載流子在電場(chǎng)的作用下遷移到電介質(zhì)表面，使得內(nèi)部的載流子數(shù)目減少。和交流電導(dǎo)率相比，直流電導(dǎo)率的數(shù)值比較小，相當(dāng)于頻率是零的時(shí)候的交流電導(dǎo)率。交流電導(dǎo)率的大小和頻率有關(guān)，通常隨頻率增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。另外，交流電導(dǎo)率還和介電損耗因子有關(guān)，介電損耗因子越大，交流電導(dǎo)率也越大，其關(guān)系如公式 1.14 所示。半導(dǎo)體電介質(zhì)的交流電導(dǎo)率在低頻下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，電導(dǎo)率數(shù)值基本不隨頻率增大而變化，這個(gè)數(shù)值與該材料的直流電導(dǎo)率接近。這種情況下的交流電導(dǎo)和直流電導(dǎo)的關(guān)系可以用 Jonscher 規(guī)律來(lái)描述，如公式 1.15 所示，交流電導(dǎo)率可以認(rèn)為是直流電導(dǎo)率和一個(gè)頻率函數(shù)的總和。
