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增強聚合物耐高電壓絕緣擊穿性能的方法
閱讀：2067發布時間：2023-3-7
絕緣材料被擊穿主要包括熱擊穿和電擊穿。熱擊穿是指是載流子在絕緣聚合物基體中的運動，同時也以熱量的形式傳遞。當熱量達到一定值后，破壞了基體原有的結構，電子穿過材料，最終絕緣材料的絕緣性能丟失。熱擊穿和溫度密切相關，且隨著溫度越高，熱擊穿也會發生的更容易。此外，絕緣材料的散熱性也會影響到發生熱擊穿的可能性，散熱性不好的材料會導致熱量在絕緣材料內部積聚，最終導致擊穿性能下降。
耐電擊穿是材料的一種固有性質，即在高電壓下，電荷被注入到絕緣材料中或加速載流子在絕緣材料中的遷移，絕緣基體很快被擊穿，此時測得材料可耐受的最大擊穿電壓。如圖1所示，闡述了電荷在分子鏈上不斷的被運輸傳遞，到最終被擊穿的過程。
圖1電荷在分子鏈上的運輸及擊穿過程
1、增強聚合物耐高電壓絕緣擊穿性能的方法：
如圖2所示，聚合物高電壓絕緣性能與分子鏈內部結構有很重要的聯系。聚合物內部的自由體積被認為對擊穿性能有作用。所以減少聚合物內部的自由體積是提高絕緣性能的一種方法。另一種可行的方案是能在基體中添加可阻礙或捕獲電子或離子的填料，從而減小基體中電荷的積累。
圖2材料內分子鏈在電場作用下定向運動示意圖
1.1微/納米顆粒：
微米顆粒的作用機理，主要是形成物理交聯點，阻礙載流子在聚合物內部的傳遞。但是在OZaICI等的科研報告中得出，二氧化硅微米級填料摻雜進入環氧樹脂后，結果明顯削弱了復合材料的耐擊穿性能。一些報道中也提到，較低含量的納米填料是如Ti02} Mg0[I0I)} A1203，可以提高聚合物的電場擊穿強度，主要的機理歸因于兩種途徑:<1)納米填料導致電子擊穿的曲折路徑。(2)納米填料通過向聚合物中引入了深陷阱來捕獲電子。基體中引入納米顆粒后，如圖1.4所示，納米顆粒與環氧基體形成的大量界面，可以在電場作用下，作為深陷阱束縛載流子。在基體中的載流子無法越過深陷阱的能壘，只能在更高電壓下被擊穿。所以納米顆粒來增強聚合物絕緣性能是有效的，但由于納米顆粒超高的表面活性能，不易分散，限制了納米顆粒摻雜的質量。
圖3納米復合材料內部分子鏈在電場作用下的運動行為
1. 2電壓穩定劑：
一般地，電壓穩定劑結構中的共扼結構大二鍵，相比較聚合物基體含有親電子基團，也更有利于分散電子的能量。具有以上功能的芳香類化合物具有捕獲電子的能力。在加速電場下，電子不斷積聚能量而高速運轉，如圖1.5所示，此時電壓穩定劑可以捕捉這種不斷積累碰撞的電子，避免了電子在碰撞間產生的二次電子，最終有效增強材料的電擊穿耐受性。
圖4電壓穩定劑俘獲載流子的示意圖
但是不足的是，電壓穩定劑是一種小分子有機物，與聚合物基體的相容性差。在使用過程中，在基體中易發生遷移，從而不能有效的在基體中發揮作用。因此，將電壓穩定劑分散并固定在聚合物基體中是十分重要的。
1.3環氧樹脂基納米復合材料在高電壓絕緣領域的應用
環氧樹脂的結構穩定，可加工性良好，近年來，環氧基納米復合材料因性能*、輕便質小，被大量應用于多個領域。其中，由于具備優質的電絕緣性能，在電子元器件和線路絕緣，電機電氣密封絕緣器件以及電子電氣甚至在半導體器件的封裝方面得到了大量的應用。近年來，電子級環氧樹脂更是被廣泛應用于特高壓絕緣電力系統中，避免了體系因絕緣失效造成的事故。環氧樹脂絕緣性能的提高保證了高壓設備的可靠性運作，作為絕緣保護材料在其中扮演著越來越重要的角色。微助米技術的引入解決了許多關鍵性問題，如環氧樹脂絕緣材料力學強度和電絕緣性能的進一步提高。值得注意的是，在高電壓使用過程中，對環氧基絕緣材料的性能指標有了更為嚴苛的要求。一般情況下，通過耐電壓擊穿場強，體積電阻率以及與介電相關的參數來反映材料的電絕緣性能的優劣。
圖5納米改性聚合物絕緣特性
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