復合材料的介電強度比較研究（擊穿電壓試驗儀）

納米復合材料與微米復合材料的介電強度比較研究：

圖1給出了聚乙烯微米鋁復合材料斷面的微觀結構形態，可以看出微米復合材料的微觀結構有以下特點：

（1）顆粒濃度低于8%時分散性較好，分布也比較均勻；

（2）顆粒濃度達到10%，微米顆粒開始表現出團聚現象；

（3）微米顆粒的分布非常不均勻，尤其是當微米顆粒的含量超過10%以后，

從復合材料斷面的掃描電鏡照片上可以很清楚地看到這一點；

（4）微米顆粒與聚合物間的粘結性較差，在微米顆粒聚集的地方存在著一

些較大的不規則的孔洞，這些孔洞是影響復合材料介電強度的重要原因之一。

根據對圖1的觀察以及前面幾章對于納米復合材料微結構的討論，我們可以得出這樣一個結論：實現金屬顆粒在聚合物基體中的良好分散，保持顆粒與顆粒的有效隔離以及改善金屬顆粒與聚合物基體之間的粘結性是提高聚合物金屬復合材料介電強度的重要手段。由于聚合物金屬復合材料必須具有一定的介電強度才有可能用作電應力控制材料，因此，在設法提高復合材料的介電常數的同時，必須滿足以上原則。事實上，人們已經證明提高材料的介電強度與提高介電常數在很多情況下是并不矛盾的。微米復合材料微觀結構的結果與直流電導的結果非常吻合，根據圖2，微米復合材料在顆粒濃度低于14%時，復合材料的電導隨著顆粒含量的增加而增大。但在16－30％的濃度范圍內，復合材料的電導與顆粒含量之間并不存在一個確定的變化趨勢，而且電流始終是隨著時間的增加而減小的，這說明：

（1）在較高濃度下，顆粒分布不均勻，進而造成顆粒之間沒有形成接觸的導電通路；

（2）復合材料內部特別是顆粒與聚合物的界面之間很可能存在一些氣孔，這些氣孔影響了顆粒或顆粒簇的彼此接觸；以上這兩個原因可能導致復合材料內部載流子的通道并不隨著顆粒含量的增加而增加，導致電導與顆粒濃度不存在確定的關系。

圖2

圖3給出了微米復合材料與納米復合材料的特征擊穿強度與顆粒濃度的關

系。可以看出，在低顆粒濃度下（>10%），兩種復合材料具有相近的特征擊穿強度。顆粒濃度超過10%達到14％時，微米復合材料表現出比納米復合材料更高的介電強度。顆粒濃度超過14%，微米復合材料也失去了介電強度。這些結果與上述復合材料電導的結果以及微觀形態的結果是一致的。

圖3

復合材料的介電強度是由材料內部“最弱的區域"決定的，因此上述復合材料的特定擊穿強度說明兩種復合材料具有相似的弱區域。根據前面的討論，復合材料的介電強度主要由金屬顆粒的分散情況（顆粒團簇尺寸，顆粒團簇的形狀等）所決定。微米復合材料在高濃度時失去介電強度的最主要原因是顆粒的不均勻分布，這種不均勻分布一方面產生了大的、不規則的顆粒團簇，另一方面也引入了氣孔等缺陷。低顆粒濃度時的兩種復合材料的強度相近，說明納米顆粒在低濃度時并不能在聚乙烯基體中表現出的分散。在2-10%的顆粒濃度區間，微米復合材料的介電強度略高于納米復合材料這一事實說明，納米顆粒團簇具有比微米顆粒或微米顆粒團聚體更復雜的形狀因子。納米復合材料在顆粒濃度達到14%時失去了介電強度，根據前面的結果，這與納米顆粒在聚合物內部形成了橋聯通路有關，也進一步說明了納米顆粒團簇具有更為復雜的形狀因子。

綜合前面的結果，假設金屬顆粒為球形，聚合物金屬復合材料的介電強度是由金屬顆粒的分布及分散情況決定的，與顆粒本身的尺寸沒有必然的關系。通過表面改性提高納米顆粒的分散與分布以及改善納米顆粒與聚合物基體的相容性是提高聚合物金屬復合材料介電強度的有效手段。