復合材料電壓擊穿強度試驗分析

電壓擊穿強度分析：

表2-5給出的是利用ZJC-50KV電壓擊穿試驗儀測得的2#16#Ni/BaTi03/PVI}F三相復合材料試樣的擊穿電壓、對應試樣厚度以及計算所得的電壓擊穿強度。

其中，電壓擊穿強度＝擊穿電壓/試樣厚度：

本實驗利用weibull分布對表2-5中所示試樣的擊穿電壓測試原始數據進行分析，Weibull分布反映的是電場強度一定的情況下材料發生擊穿的概率，兩參數的Weibull

分布表達式如式(2-2)所示:

變形后可變成:

Logy-ln(1-p)盧LogE在直角坐標下成線性關系。式中p和Eo分別稱為Weibull函數的形狀參數和尺度參數，其中p反映了坐標系中直線斜率的大小，它的大..J:與材料試樣的質量、制備工藝條件有關。p越大，表明測定的電壓擊穿強度數據分散性就越小，材料制備工藝越穩定，材料的質量越好。E。則反映了擊穿概率為63.2%時電場強度的大小。2#^-16#組試樣的電壓擊穿強度Weibull分布如圖2-6，圖2-7，圖2-8所示，根據電壓擊穿強度Weibull分布圖可以計算出試樣所對應的p和Eop和Eo值詳見表2-6。

從表2-6中數據來看，各組試樣之間的形狀參數p數值差別較大，這說明試樣的制備工藝還不是太穩定，另外，試樣內部結構的均勻性也存在差異。相對來說，BaTi03含量為lOv%的試樣所表現出的p數值都比較大，這說明該BaTi03含量的Ni/BaTi03/PVDF三相復合材料內部結構比較均一，試樣質量相對較好。

根據表2-6中所示的電壓擊穿強度數值，繪制了Ni/BaTi03/PVDF三相復合材料的電壓擊穿強度隨BaTi03及Ni的含量變化曲線，如圖2-9所示。從圖中可以看出，該三相復合材料的電壓擊穿強度隨著BaTi03含量的增加而顯著降低，摻雜的BaTi03粉體在高壓電場下首先被擊穿，這是由BaTi03粉體低擊穿的特性決定的。聚合物基體本身的電壓擊穿強度較高，約為80Kv/mm，這是因為聚合物基體材料內部存在大量的陷阱，電子在其內部遷移時容易被陷阱所捕獲，從而形成穩定的空間電荷，不易發生擊穿。當大量BaTi03粉體混入時，聚合物基體和BaTi03粉體之間會形成界面，這些界面彼此連接形成通道，通道處的電導率遠大于聚合物基體材料的電導率，因此外電場下，電子會優先選擇在電導率大的界面處通過，導致擊穿容易發生。少量的BaTi03粉體會使聚合物的電壓擊穿強度增大，這是由于少量的BaTi03粉體添加到聚合物基體中時，聚合物基體和BaTi03粉體之間的界面數量少，不會連接形成通道，同時BaTi03粉體本身的體積會使聚合物基體產生一定程度的拉伸，這種拉伸會使聚合物基體中的陷阱增多加深，從而可以捕獲更多的電子。基于此，圖中Ni含量為Ow%.BaTi03含量為1Ov%的情況電壓擊穿強度表現出異常，電壓擊穿強度高達280KV/mm，遠遠高于同種情況下未摻雜BaTi03的復合材料。摻雜Ni粉體的復合材料之所以沒有表現出這種低BaTi03含量高擊穿的特例，可能是由于Ni粉體對復合材料的電壓擊穿強度影響更大，掩蓋了低BaTi03含量所帶來的影響。

從圖2-9可以看出，Ni含量對復合材料電壓擊穿強度也有很大影響，其中含量為3w%時擊穿最高，BaTi03含量為Ov%時電壓擊穿強度達到400Kv/mm，是純PVDF的4倍左右;隨著欽酸鋇含量增加，電壓擊穿強度下降，但降低程度較小，最小值約為180kv/mm。這種現象可以利用導電顆粒在絕緣體中的表現出的庫倫阻塞效應來進行解釋。對于不含導體顆粒的復合材料，在強電場下復合材料導帶中的電子會被加速并在加速運動過程中與晶格發生碰撞從而獲得動能，如果電子獲得的動能大于它在碰撞過程中損失給晶格的能量，那么電子具有的動能就會越來越大，進而碰撞電離產生更多的自由電子，自由電子會發生進一步的碰撞電離，如此下去，復合材料的電導進入不穩定階段，擊穿現象開始發生。如果復合材料中含有一定含量的納米Ni粒子，均勻分散于聚合物基體中的納米Ni粒子形成的隧穿結使電子逐個通過其間，對在一定電場下的電子的定向運動起到限制作用，表現出“庫倫阻塞效應"，那么就不容易發生電子的加速碰撞進而電離現象，復合材料的電壓擊穿強度得到提高。但是如果Ni的含量太高，顆粒間距太小或者因為含量高發生團聚，宏觀量子隧道效應將代替庫倫阻塞效應占主導地位，削弱了庫侖阻塞效應對電子的阻礙作用，此時電子可以穿越勢壘從一個勢阱進入另一勢阱，體系的電壓擊穿強度下降，這也就解釋了Ni含量為Sw%時復合材料電壓擊穿強度又下降的原因。