ASTM D149介電強(qiáng)度和擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)
擊穿強(qiáng)度又可稱為介電強(qiáng)度,是電介質(zhì)材料的一個(gè)重要參數(shù)。聚合物基復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度一般用威布爾分布來表示并用于分析材料的可靠性。如圖2-14所示,為純的PVDF和不同填料含量下復(fù)合材料的威布爾分布圖??梢钥闯?,隨著填料的加入,復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度整體上呈降低趨勢(shì),例如,當(dāng)填料從0wt%增加至40wt%時(shí),復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度從2686kV/cm降到1473kV/cm。這可能是由于填料加入對(duì)聚合物基體造成了一定的缺陷,而擊穿過程實(shí)際上電樹枝化發(fā)展的過程,缺陷的存在更容易在界面間產(chǎn)生漏電電流,使得擊穿過程加速(LuoSBetal,2017)。在低填料時(shí),相應(yīng)的空間電荷和可移動(dòng)的自由電子產(chǎn)生的相對(duì)較少,那么,產(chǎn)生的漏電電流較少,相應(yīng)的擊穿強(qiáng)度不至于降低太多。隨著填料的增加,即使顆粒在聚合物基體中分散較好,但由于顆粒間距的減小,產(chǎn)生量子躍遷效應(yīng),使得在界面積聚更多的電荷,漏電電流增加,大大降低復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度。雖然,介電強(qiáng)度有所降低,但復(fù)合材料整體的可靠性還是能夠保持在一定的水平,對(duì)此類的電介質(zhì)復(fù)合材料還是有一定的參考價(jià)值。
根據(jù)公式2-1和2-2,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度的Weibull分布如圖3-13所示,從圖中可以看到,純的PVDF的擊穿強(qiáng)度為2686kV/cm,當(dāng)填料含量為1wt%時(shí),復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度為2852kV/cm,提升了約7.7%,這可能是由于低含量下復(fù)合材料中聚合物基體占主導(dǎo),填料中BT的加入在一定程度弱化了基體和多孔碳球的界面能,降低了復(fù)合材料的電導(dǎo)率,從而使得復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度有所上升,當(dāng)填料含量進(jìn)一步增加時(shí),擊穿強(qiáng)度由2852kV/cm迅速降低至340kV/cm,這主要源于,隨著填料的增加,復(fù)合材料中填料占主導(dǎo),粗糙的顆粒表面及顆粒與基體之間的界面成為聚合物基復(fù)合材料內(nèi)部介電擊穿的薄弱區(qū)。在這種情況下,電樹枝生長(zhǎng)直接發(fā)展成裂紋,產(chǎn)生漏電電流導(dǎo)致復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度降低,并且填料越多,擊穿強(qiáng)度越低,當(dāng)填料含量增加至9wt%時(shí),復(fù)合材料性質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變,形成導(dǎo)電通路,變成導(dǎo)電體,擊穿強(qiáng)度低。但從另一參數(shù)β來看,此復(fù)合材料中,填料的分布還是較均勻,沒有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚,只是在高含量9wt%時(shí),復(fù)合材料的均勻性有所下降,可能是大量填料的加入出現(xiàn)了堆積現(xiàn)象,總的來說,復(fù)合材料的穩(wěn)定性還是比較高。
根據(jù)儲(chǔ)能密度公式可以知道,擊穿強(qiáng)度對(duì)儲(chǔ)能密度的提升占據(jù)主要因素,因此對(duì)三層膜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的擊穿性能進(jìn)行測(cè)試,通過整理計(jì)算得出三層膜復(fù)合材料的雙參數(shù)威布爾分布圖,如圖4-6所示,從分布圖上可以看出,復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度有顯著提高,特別是1-0-1復(fù)合材料,可高達(dá)3635kV/cm,是純的PVDF的1.4倍,而3-0-3復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度略高于純的PVDF,是它的1.1倍,隨著填料的進(jìn)一步增加,大大破壞了外層中PVDF的連續(xù)結(jié)構(gòu),即使中間層留有連續(xù)的PVDF,也不能大大延緩擊穿過程中電樹枝的生長(zhǎng),使得復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度越來越低,但整體下來,復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度仍能保持在1000kV/cm以上,與單層復(fù)合材料相比,三層膜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度得到大大提升,說明此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是有助于復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度的提升。另外,從形狀因子來看,復(fù)合材料可靠性也有所提高,這可能要?dú)w因于聚合物優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及良好的加工性。
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