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聚乙烯的电击穿行为介绍

发表时间:2022-09-13  |  点击率:187

聚乙烯的电击穿行为介绍:

       相比于其他电介质,聚合物电介质有特殊性的一面,科学家们经过长期的实践研究,提出了针对于聚合物的特殊击穿理论:电-机械击穿和树枝化现象。 

      电-机械击穿机制在 1955 年被 Stark 和 Garton 建立,解释聚乙烯的击穿行为。电-机械击穿模型是基于电-机械效应的。电-机械击穿一般发生在弹性模量小且容易产生变形的聚合物固体电介质中。当电压作用于电介质时,正电极和负电极之间的静电吸引力会对电极间的电介质产生挤压作用。若材料有大的弹性模量,挤压力不会使材料产生明显的变形;反之,材料会受压变形,介质厚度会变薄,此时,挤压作用更强,直至电介质失去耐压能力和机械强度而发生击穿。

      聚合物中还存在着一种预击穿现象,即树枝化现象。Rayner 在 1912 年对被闪电击穿的非常厚的绝缘材料的横截面观察后,提出了电树枝化现象。Budenstein紧接着提出与电树枝化有关的固体电介质的击穿模型。在 20 世纪 70 年代中期,Bahder 在文献中提出水树枝化的概念。总的来说,在聚合物中存在着两大类树枝:电树枝和水树枝。二者的引发机理不同,电树枝仅由电场引起,而水树枝可以由电场和水及其他化学作用等因素共同引起。通过扫描电子显微镜观察与电树枝增长方向垂直的树枝截面,发现存在的空隙。水树枝似乎是由很细微的纤维状通道构成,水分在电压作用下穿透进去时,可以观察到沟道,但当去掉电压和水源之后,水树枝通道逐渐消失不见,在电镜下观察水树枝的截面并未发现空心通道。电树枝和水树枝的本质区别在于是否拥有空心沟道。 

      由于聚合物本身大分子结构的复杂性,再加上结晶和极性因素的复合干扰,使得对聚合物的研究十分困难,聚合物电击穿过程存在着很多未知因素。在前人实验结果的基础上逐步摸索,解出未知的内部原因。 

       半结晶聚合物有结晶和无定型两个区域,聚合物的击穿场强受到结晶区微结构和结晶度的影响。以聚乙烯为例(见图 2-4),温度低于 80℃,击穿场强随着结晶度的降低而增加。根据修正的 Froholich 无定型击穿理论,由于结晶度的减小,结晶界面增加,使电子浅陷阱的能级幅值增加,导致击穿场强的升高。高于 80℃,结论反转,结晶度高的击穿场强反而下降,这与电-机械击穿有关

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      聚合物的物理性能和电性能均随温度变化,聚合物的耐压强度有温度依赖性。 大致可以分为两个区域:低温区击穿电压随温度增加而增加,变化趋势缓慢;高温区击穿电压随温度增加而降低。 

     聚合物的击穿特性同普通介电材料不同,聚合物的击穿特性可以归纳为以下几点:聚合物的最大击穿场强出现在低温区;室温附近聚合物击穿场强值为1-10MV/m,普遍高于离子晶体(0.3-2MV/m);在玻璃转变温度附近,热塑性聚合物的击穿场强急剧下降。 

     聚合物电介质的击穿场强是由本身的击穿属性决定的,另外还与其他因素有关。扫描电子显微镜图片显示球体尺寸小会对击穿电压的提高有帮助。减小球体的尺寸,能降低空气和水的渗透率。聚合物的分子结构、分子量、退火工艺、机械拉伸、添加成核剂均对材料形成的球体尺寸都有关系。当介质厚度极薄时(μm 量级),越薄击穿场强会越大,这就是“薄层强化”效应。若介质厚度较厚(mm 量级甚至更大),击穿场强与厚度成正比关系。 

 

电压击穿配件及细节 (14).JPG

 

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