擊穿強(qiáng)度與介電強(qiáng)度:
電介質(zhì)材料的擊穿是指在電場作用下伴隨著化學(xué)、熱、力等作用而喪失其絕緣、介電能力的現(xiàn)象。當(dāng)對介電材料施加的外加電場強(qiáng)度逐漸增大時,電介質(zhì)材料會從介電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài),即介質(zhì)材料只能在一定的電場強(qiáng)度內(nèi)保持這些性質(zhì),當(dāng)電場強(qiáng)度超過某一臨界值時,電介質(zhì)材料由介電態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài),這種現(xiàn)象稱為介電強(qiáng)度的破壞或介質(zhì)的擊穿。相應(yīng)的電介質(zhì)材料所能承受的臨界電場強(qiáng)度就是介電強(qiáng)度。介電強(qiáng)度是表征材料耐電壓性能的物理量,對工程材料電性能的應(yīng)用具有重要意義。電介質(zhì)擊穿的機(jī)制包括熱擊穿、電擊穿、局部放電擊穿及樹枝擊穿。
(1)熱擊穿:電介質(zhì)在電場作用下,由電導(dǎo)和介質(zhì)損耗所產(chǎn)生的熱量超過試樣通過傳導(dǎo)、對流和輻射所散發(fā)的熱量,產(chǎn)出的熱量比散去的多,試樣中的熱平衡被破壞,試樣溫度不斷上升,造成久性破壞,這就是熱擊穿。
(2)電擊穿:電擊穿是指強(qiáng)電場下,介質(zhì)承受的電壓超過一定值Us時,其中有相當(dāng)大的電流通過,使介質(zhì)喪失絕緣性能,這個過程即是電擊穿。擊穿場強(qiáng)表達(dá)為:Es=Us/d,通常當(dāng)電場接近擊穿場強(qiáng)時,材料中的電流主要是電子型的。其擊穿機(jī)制主要有:碰撞電離理論、雪崩理論和隧道理論。碰撞電離理論是指晶體溫度高于絕對零度,晶格的微小振動形成格波,格波能量量子稱為聲子。碰撞電離中,存在電子和聲子碰撞,雜質(zhì)和缺陷對自由電子的散射。若外加電場足夠高,自由電子在電場中獲得的能量超過失去的能量時,自由電子便可在每次碰撞后積累起能量,最后發(fā)生擊穿;雪崩理論是指,在電場足夠大時,自由電子從電場中獲得的能量在每次碰撞后都能產(chǎn)生另一個自由電子,n次碰撞就有2n個自由電子,形成雪崩式倍增效應(yīng),這些電子一方面向陽極遷移,一方面擴(kuò)散,當(dāng)雪崩式倍增效應(yīng)貫穿兩電極時,則發(fā)生擊穿的現(xiàn)象;隧道理論則強(qiáng)調(diào)當(dāng)電場足夠高時,由于隧道效應(yīng),使禁帶電子進(jìn)入導(dǎo)帶,在電場作用下電子被加速,引起碰撞電離。這種雪崩過程不會導(dǎo)致晶粒的破壞,晶體擊穿的原因在于隧道電流導(dǎo)致晶體局部溫度過高,致使晶體局部熔融而破壞的擊穿過程。
(3)局部放電擊穿:局部放電擊穿指在電場作用下,介質(zhì)局部區(qū)域發(fā)生放電現(xiàn)象。通常由于介質(zhì)材料的不均勻性而導(dǎo)致電場分布的不均,在電場增強(qiáng)的地方如氣孔處會產(chǎn)生局部放電,使電場畸變進(jìn)一步增加,同時產(chǎn)生大量的熱,容易引起整個介質(zhì)的擊穿。
(4)樹枝擊穿:樹枝化是種主要發(fā)生在高分子電介質(zhì)中的擊穿現(xiàn)象,它是指在電場作用下,在固體電介質(zhì)中形成一種樹枝狀氣化痕跡。其樹枝是充滿氣體的直徑為幾微米以下的細(xì)微管子組成的通道,聚合物樹枝化后并沒有擊穿,但樹枝化是一個很重要的擊穿潛伏因素。經(jīng)過一定過程后,最終導(dǎo)致聚合物擊穿,樹枝化的最大特點(diǎn)是要經(jīng)過較為冗長的過程才能導(dǎo)致樹枝引發(fā)乃至最后擊穿。
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