交直流介电击穿强度试验机测试结果与讨论

      利用击穿电压测试仪（北京智德创新仪器设备有限公司），按照GB1408规定测试固化后纯环氧树脂和环氧复合材料样品的交流击穿强度。测试电极为球形电极，其直径为10mm。样品与电极浸在硅油中，采用逐步升压的方式测试。起始电压为20kv，每步升压为2kv/min，每步升压保持时间为直至样品被击穿。击穿场强计算公式下图所示：

       式中EB,为样品的击穿强度(KV/MM)；UB为试样的击穿电压(KV)；T为试样厚度(MM)。

介电强度：

       击穿强度是评价绝缘材料性能的一个重要参数。对于绝缘材料来说，要具备一定的介电强度才有潜在的应用价值。图是三种环氧树脂纳米复合材料的交流介电击穿强度随纳米颗粒含量的变化趋势图。从图中可以看出：随着纳米颗粒含量的增大，环氧树脂复合材料和环氧树脂复合材料的交流击穿强度逐渐降低，而且其交流击穿强度都比纯的环氧树脂的要低些。不同的是，随着纳米颗粒含量的增加，环氧树脂复合材料的交流击穿强度先增加后减少，而且其击穿强度略高与纯环氧树脂的击穿强度。以上两种*不同结果，说明表面改性极其重要，尽管目前对纳米颗粒填充的聚合物复合材料的击穿行为研究虽然很多，但是其实验结果却有很大的出入。不同的研究者即使相同的纳米复合材料中可能也得出不同的实验结果。造成这种现象的主要原因是聚合物基体、纳米颗粒的表面积在基体中的分散状况、样品的厚度、升压方式等。从图可以看出，不同表面特性的纳米颗粒，引起的复合材料的交流击穿强度的变化也较复杂。添加未改性和纳米颗粒导致其复合材料的击穿强度降低。原因之一是纳米颗粒添加到环氧树脂基体中，纳米粒子以缺陷中心的形式存在，在颗粒周围会积聚大量的电荷，形成不均匀空间电荷分布，使复合材料内局部电场产生严重畸变，从而降低了复合材料的击穿强度。另一个原因是纳米颗粒的加入会导致复合材料内部产生气隙，气泡以及其他的杂质，特别是纳米颗粒与聚合物相容性不好时，复合材料的击穿强度相对聚合物来讲下降严重，这也是传统电介质理论的观点。但是有趣的是，环氧树脂复合材料却表现出*不同的击穿行为。这是因为纳米粒子的外层包裹着一层薄的聚合物层而形成的核壳结构，正是这超支化聚芳酰胺壳层的影响，使得复合材料的击穿强度比纯环氧树脂的高。我们认为在纳米颗粒表面的超支化聚芳酰胺壳层是一个独立相，与纳米颗粒和环氧树脂基体不同。因为壳层、纳米颗粒与树脂基体三者间的费米能级不同，在纳米颗粒与树脂基体之间形成能级势垒。又因为前面的微观形貌分析已得出纳米颗粒能很好地分散中环氧树脂基体中，各个纳米颗粒可以当作孤立的粒子来考虑。所以在电场的作用下，带电的载流子将被纳米颗粒与树脂基体之间的壳层中的深陷阱所捕获。载流子的被限制，导致复合材料的击穿性能的提高，电导率及载流子的迁移率下降。随着纳米颗粒含量的增加，纳米颗粒的团聚或者相邻粒子间的界面可能发生重叠，形成局部的导电通道，在电场作用下，载流子可以沿着这些通道进行传输，导致复合材料的击穿强度有所下降。

如图所示为纯环氧树脂和纳米颗粒时的环氧树脂复合材料的交流介电强度的分布。从图中可以观察到，纳米颗粒含量为时，纯环氧树脂、环氧树脂复合材料、环氧树脂复合材料和环氧树脂复合材料的失效概率为的击穿强度分别为、、和·；而且其对应的形状参数分别为、、。在统计参数中，和分别代表特征击穿强度以及介电强度的分散因子，值越大，表示击穿强度越高；越高表示击穿强度离散性越小。从所有复合材料的和值对比来看，环氧树脂复合材料的值和值都最小。说明环氧树脂复合材料的耐击穿强度的能力最差，并且其介电强度的分散性最为严重。击穿强度的分散性与复合材料的均一性有直接关系，未改性的纳米颗粒在环氧树脂不能很好地分散而引入其复合材料中一些微观上的孔洞和缺陷，导致了其介电强度降低。这也与其复合材料的微观结构的分析结构是符合的。再有一点是虽然环氧树脂复合材料的介电强度略高于纯环氧树脂的击穿强度，但其值是低于纯环氧树脂的。这说明了在环氧树脂基体中加入了尽管能很好分散和相容的纳米粉体，其复合材料的均一性还是受到了负面的影响。