基本介紹
- 中文名： 擊穿強度
- 外文名：breakdown strength
- 拼音： jī chuān qiáng dù
- 所屬類別：電子工程
- 又稱：介電擊穿強度
- 單位：kV/m
定義,複合材料熱導率和擊穿強度,熱導率,微米氧化鋁環氧樹脂複合材料的擊穿強度,擊穿強度性能,納米氧化鋁顆粒的作用,納米聚合物多殼結構模型,套用,
定義
靜電問題總是離不開帶電體所謂有帶電體，從帶電過程來看，帶正電就是失去一些電子，帶負電就是獲得一些電子獲得或失去電子的數量越多，帶電量越多初學者很容易想到：當帶電體所帶電量足夠多時，就意味著獲得或失去很多的電子，而每個電子都有一定質量，是否應該考慮這種電子的得失引起的帶電體質量變化；對於處於靜電平衡狀態的帶電導體是否因為帶電太多使得電荷在導體表面排不下以致於由表及里，在導體內部也出現淨電荷呢?從理論上講，這種擔心是合理的，但從實際上講，這種擔心是完全沒有必要的在這種構想中，有一個共同的要求是帶電體上的電量足夠多，而帶電的多少客觀上是受限制的：帶電的多少與導體周圍介質的絕緣性能有直接的關係本文從介質的擊穿強度出發，通過估算的方式討論：導體最大限度帶電時，將引起多大程度的質量變化；導體最大限度帶電時，導體表面最多有多大比例的中性原子涉及電子的得失，電荷會不會由表及里，在導體內部也出現淨電荷。
複合材料熱導率和擊穿強度
隨著電力工業的發展，對材料的低成本、介電性能和熱導率提出了越來越高的要求。因氧化鋁陶瓷材料具有高熱擴散係數、高熱導率、相對穩定的電性能和晶片與封裝材料間熱擴散係數差異微小等特性，常被大功率電力電子器件選用氧化鋁陶瓷材料作為基板絕緣材料。但是氧化鋁陶瓷材料由於存在脆性大、成形複雜等缺點，燒結成本高，而環氧樹脂易於固化成形，具有更高的金屬粘結性和低成本等優點，因此選取高熱導率的環氧樹脂複合材料作為電力電子器件基板絕緣的研究對象。
電力電子器件工作時間較長，絕緣基板上會產生很高的溫度。如果散熱不及時，器件的壽命會顯著降低。因此，環氧樹脂需要具有高熱導率才能取代陶瓷作為基板絕緣。有關於摻入高熱導率的微米無機顆粒的環氧樹脂比一般環氧樹脂具有更高熱導率的研究，其中氧化鋁具有較高的熱導率，經常作為導熱顆粒來提高環氧樹脂的導熱性能。根據bruggman理論，可以通過在聚合物基質材料中加入高含量的微米導熱顆粒來大幅度提高聚合物的熱導率。
熱導率
隨著氧化鋁顆粒含量的增加，氧化鋁/環氧樹脂複合材料的熱導率增加且增加幅度越來越大。說明加入高熱導率的氧化鋁顆粒可以提高環氧樹脂的熱導率。顆粒含量較低時，氧化鋁顆粒與環氧樹脂是串聯結構，熱導率增加幅度不高，隨著顆粒含量的增加，顆粒相互接觸，氧化鋁顆粒與環氧樹脂形成並聯結構，形成降低熱阻的通道，從而使氧化鋁/環氧樹脂複合材料的熱導率大幅增大。當納米氧化鋁和微米氧化鋁含量均為 5%時，微米氧化鋁/環氧樹脂複合材料比納米氧化鋁/環氧樹脂複合材料具有更高的熱導率。其可能原因是微米氧化鋁顆粒加入環氧樹脂後形成的缺陷產生了一種導熱媒介——電子，使微米氧化鋁顆粒表面可以通過電子導熱，而納米氧化鋁顆粒加入環氧樹脂後消除了缺陷，納米氧化鋁顆粒表面則不存在電子導熱，使納米氧化鋁顆粒表面比微米氧化鋁顆粒表面具有更高的熱阻。因此，在兩者含量相同的情況下，微米氧化鋁/環氧樹脂複合材料比納米氧化鋁/環氧樹脂複合材料具有更高的熱導率。
微米氧化鋁環氧樹脂複合材料的擊穿強度
當微米氧化鋁/環氧樹脂複合材料中微米顆粒含量達到 20%時，其擊穿強度降低；納米氧化鋁/環氧樹脂複合材料的擊穿強度隨納米顆粒含量的增加而增大；5%納米氧化鋁/環氧樹脂複合材料比 20%微米氧化鋁/環氧樹脂複合材料具有更高的擊穿強度。
由於納米氧化鋁顆粒具有更大的比表面積，能夠在大分子及其鏈之間形成緊密連線，阻止初始電子移動，加入到環氧樹脂中後能消除環氧樹脂的部分缺陷，因此引入納米氧化鋁顆粒能提高環氧樹脂的擊穿強度。與納米氧化鋁顆粒相比，單個微米氧化鋁顆粒過大，很難像納米氧化鋁顆粒一樣能與環氧樹脂形成緊密結構。微米氧化鋁顆粒與環氧樹脂之間的鬆散結構，不能像納米氧化鋁顆粒一樣移除，隨添加量增大，反而引入更多導致環氧複合材料擊穿強度降低的缺陷。該缺陷能夠使起始電子更容易移動，並隨著起始電子的撞擊而引入更多的電子，從而降低了擊穿強度。
擊穿強度性能
通過摻入顆粒改性環氧樹脂電性能的各種研究。表明納米氧化鋁複合材料比微米氧化鋁複合材料具有更好的電性能，Nelson等發現納米鈦/環氧樹脂複合材料比純環氧樹脂和微米鈦/環氧樹脂複合材料在60Hz流電情況下具有更高的電氣強度。微米顆粒降低了環氧樹脂的電性能，納米顆粒則提高了環氧樹脂的電性能。為達到更好的導熱性能和電性能，分別採用納米氧化鋁顆粒和微米氧化鋁顆粒製備氧化鋁/環氧樹脂複合材料，並分析比較兩種粒子對氧化鋁/環氧樹脂複合材料的影響。
納米氧化鋁顆粒的作用
當納米氧化鋁含量較低時，加入納米氧化鋁顆粒到環氧樹脂降低了環氧樹脂的擊穿強度，當納米氧化鋁質量分數達到 5wt%時，納米氧化鋁/環氧樹脂複合材料的擊穿強度超過了純環氧樹脂的擊穿強度。加入微米氧化鋁顆粒到環氧樹脂降低了環氧樹脂的擊穿強度，當微米氧化鋁質量分數達到 20wt%時，擊穿強度幾乎下降了一半。在微、納米氧化鋁/環氧樹脂複合材料微米氧化鋁質量分數在 10wt%時，隨著納米氧化鋁質量分數的提高，擊穿強度逐漸增大，但比純 10wt%微米氧化鋁/環氧樹脂複合材料擊穿強度低。納米氧化鋁/環氧樹脂複合材料比微米氧化鋁/環氧樹脂複合材料擊穿強度高。
隨著 A150 納米氧化矽質量分數的增大，納米氧化矽/環氧樹脂複合材料擊穿強度隨含量增加而增大，當納米氧化矽質量分數達到 3wt%時，納米氧化鋁/環氧樹脂複合材料的擊穿強度高於純環氧樹脂的擊穿強度。往環氧樹脂中加入 3wt%疏水性 R974 納米氧化矽顆粒後，其擊穿強度降低，而 3wt%親水性 A150 納米複合材料擊穿強度高於純環氧。親水性無機顆粒更適合親水性環氧樹脂。
納米聚合物多殼結構模型
由於納米顆粒能夠在一定程度上有效改善複合材料的電氣性能，因此自 2000 年以來，從材料製備、材料微觀結構表征、材料機械性能以及介電性能等方面進行工作。在大量實驗數據的基礎上，用於解釋各種實驗現象和實驗規律的微觀模型得以建立。並在解釋複合介質擊穿場強、耐電樹枝化以及耐長期電老化性能方面能夠很好地與實驗現象相符。
納米氧化鋁顆粒巨大的比表面積能夠與環氧大分子及其鏈之間形成緊密連線從而影響環氧固化物的電氣性能。與納米氧化鋁顆粒相比，單個微米氧化鋁顆粒過大，比表面積太小，化學活性很差，很難像納米氧化鋁顆粒一樣能夠與環氧樹脂形成緊密結構。微米氧化鋁顆粒表面與環氧樹脂間的鬆散結構引入更多導致環氧複合材料擊穿強度降低的缺陷。相對納米氧化鋁環氧複合材料，起始電子在較低場強下即可破壞微米氧化鋁顆粒與環氧樹脂間的鬆散結構。在高場強作用下，微米氧化鋁顆粒與環氧樹脂間的缺陷使起始電子更容易移動，並隨著起始電子的撞擊，產生更多的電子，從而降低了擊穿強度。
套用
添加無機顆粒到環氧樹脂當中都會引入缺陷，這種缺陷會降低基體材料的擊穿強度。微米顆粒並不具備阻擋擊穿通道的作用，而納米顆粒需要添加到一定量的時候該作用才會顯現，然而添加納米複合材料製備技術非常關鍵，當納米添加量達到一定的程度時（如 10wt%），納米分散將十分困難，需要更高級的分散技術。納米和微米無機顆粒的添加將對基體材料引入一定的缺陷，這些缺陷可以來自於製備過程中的攪擊穿時（3kV/s 電壓上升速率），其缺陷對擊穿強來說是致命的。而在做長時間的電老化等實驗時（固定電壓下電侵蝕實驗），材料內部的電樹會慢慢生長，這時候納米和微米阻擋電樹生長通道的作用將會顯現，其作用蓋過缺陷而提高複合材料的耐電強度，在之前的研究中已經發現了短時擊穿和電樹老化實驗中，納米和微米無機顆粒對複合材料的作用是不一樣的。
親水性和疏水性無機顆粒/環氧樹脂複合材料擊穿強度實驗結果證明了兩種無機顆粒對親水性環氧樹脂擊穿性能的影響。用環氧樹脂是極性非常大的分子，是親水性環氧分子，易於與親水性分子結合，不易與疏水性分子結合。A 系列納米氧化矽具有親水性的表面性質，R系列納米氧化矽具有疏水性的表面性質，因此，A系列易於與所用環氧樹脂結合而 R 系列不易與所用環氧樹脂結合。加入 R 系列納米氧化矽顆粒其擊穿強度比純環氧樹脂低，而加入 A 系列納米氧化矽其擊穿強度高於純環氧樹脂。疏水性納米氧化矽較親水性納米氧化矽來說使得環氧樹脂複合材料的擊穿強度降低更多。親水性納米氧化矽相對更合適添加到親水性環氧樹脂中。
