电介质的击穿强度和电导率

电介质的击穿强度和电导率

       电介质都是在一定的电场强度下工作，随着电场强度的增加，电介质有可能受到破坏，电介质在破坏时所对应的电场强度称为击穿强度。从前面内容可知，电介质的储能密度和所施加的电场强度有关，对线性材料，储能密度和电场的平方成正比，因此提高击穿强度对提高电介质的储能密度有重要的意义。根据击穿机理不同，电介质击穿可以分为电击穿、热击穿和机械击穿，然而在实际中，电介质的击穿往往是多种击穿机理共同作用的结果。 

       电介质击穿强度受温度、样品厚度影响。对聚合物而言，它的击穿强度随温度的增大而减小，并且这种减小不是线性的减小，在不同的温度范围，斜率不同，如图 1.7 所示。当温度比较低时（T<TC1），聚合物击穿主要以电击穿为主，击穿强度几乎不随温度变化；当温度变大时（TC1<T<TC2），聚合物击穿主要以热击穿为主，击穿强度随温度的增加而减小；当温度较高时（TC2<T），聚合物的击穿主要以机械击穿为主，击穿强度随温度的增加而迅速减小。聚合物的击穿强度通常随样品厚度的增大而减小，这主要是因为随着厚度的增加，绝缘层中发现缺陷或杂质的概率会增大，而缺陷和杂质的出现会大幅降低聚合物的击穿强度。聚合物击穿强度和厚度的关系可以用公式 1.11 来表示。

其中，E 是击穿强度，d 是厚度，kd和 md是经验系数。

       电介质的击穿强度常用两个参数的威布尔分布来处理。威布尔分布常用于可靠性评估，它的二参数表达式如公式 1.12  所示。

      其中，P 是累计击穿概率，E 是电场强度，α 是尺度因子，代表累计击穿概率为63.2%时的击穿强度，也称为特征击穿强度，常用来表征电介质的击穿强度，β  是形状因子，用来表征击穿强度的分布情况，一般 β 值越大，击穿强度的分布越窄，材料的可靠性好。根据 IEEE  930-2004 标准，电介质的击穿概率可以用公式1.13 来简单的计算。

       其中，i 是把所有击穿强度按递增排列，某个击穿强度对应地序号，n 是测试样品的总数。在处理数据的时候，通常是对测试点（Pi，E）进行拟合，得到尺度因子和形状因子，从而评估样品的击穿性能。 

        相对而言，聚合物比陶瓷电介质的击穿强度高，往聚合物中添加少量的纳米颗粒，可以进一步提高聚合物的击穿强度。这是因为纳米颗粒可以充当电子的散射点和捕捉陷阱，限制了电子的迁移能力。例如  Thomas  等把 5  wt%纳米氧化铝添加的环氧树脂中，可以提高环氧树脂的交流击穿强度。但这种提高并不是无限制的，Beier 等的研究结果显示，当纳米颗粒添加量比较小的时候，复合材料的击穿强度确实有所提高；当纳米颗粒的含量继续增加时，复合材料的击穿强度又有所下降。另外，复合材料的击穿强度还与界面结构有关。Siddabattuni等用含有不同官能团的亚磷酸处理二氧化钛，得到不同界面结构的环氧复合材料，经测试后得知，它们的击穿强度也不同；当界面处存在缺电子官能团的时候，复合材料的漏电电流减小、损耗减小、击穿强度增大。Ma 等也同样发现，往二氧化钛表面引入极性官能团，可以提高纳米复合材料的击穿强度。

        电导率是电介质的重要参数之一，根据电场的不同，可以分为直流电导和交流电导率。电介质内的载流子可能是电子、空穴、离子以及其他带电基团。在外加电场下，这些载流子朝一定方向迁移，形成漏电电流。直流电导率和测试电场有关，电场越大，电介质内可迁移的载流子越多，电导率也会相应的增大。除此之外，直流电导率还受测试时间影响，一般随时间的增大而减小，原因是部分载流子在电场的作用下迁移到电介质表面，使得内部的载流子数目减少。和交流电导率相比，直流电导率的数值比较小，相当于频率是零的时候的交流电导率。交流电导率的大小和频率有关，通常随频率增加而呈现增大的趋势。另外，交流电导率还和介电损耗因子有关，介电损耗因子越大，交流电导率也越大，其关系如公式 1.14 所示。半导体电介质的交流电导率在低频下会出现一个平台，电导率数值基本不随频率增大而变化，这个数值与该材料的直流电导率接近。这种情况下的交流电导和直流电导的关系可以用 Jonscher 规律来描述，如公式 1.15 所示，交流电导率可以认为是直流电导率和一个频率函数的总和。