1、聚合物微觀特性與擊穿強度的關(guān)聯(lián)

聚合物材料優(yōu)異的綜合性能，使其在高壓電氣設(shè)備的絕緣領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用（如圖1所示）。但由于絕緣材料長期承受的強電場作用，絕緣體易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷甚至導(dǎo)致介電擊穿等災(zāi)難性故障。其擊穿過程主要受到內(nèi)部因素和外部因素的影響，其中，外部因素與放電過程所處的環(huán)境密切相關(guān)，主要包括：電極形狀、濕度、溫度以及加壓時間等，而內(nèi)部因素則是影響聚合物擊穿強度的關(guān)鍵，主要包括載流子陷阱、自由體積和阻擋效應(yīng)。下文主要圍繞影響聚合物擊穿過程的內(nèi)部因素展開討論。

1.1載流子陷阱

根據(jù)固體能帶理論中的局域態(tài)結(jié)構(gòu)模型，在特定能量的束縛作用下，聚合物禁帶寬度中的某些位置存在許多具有特定能量的電子態(tài)，這些電子態(tài)的能級與周圍帶隙有所不同，使得其對載流子具有特殊作用力，也就是所謂的陷阱效應(yīng)，是影響聚合物電荷輸運特性的重要因素。

尤其在納米復(fù)合材料中，陷阱效應(yīng)更為明顯，根據(jù)多區(qū)域結(jié)構(gòu)模型，納米顆粒和聚合物交界面處存在鍵合區(qū)、過渡區(qū)和正常區(qū)三種不同區(qū)域，而其中的鍵合區(qū)對聚合物的絕緣特性起著決定性作用。在鍵合區(qū)中，由于無機填料與有機基體間費米能級的差異，形成的斯特恩(Stern)層中存在大量的局域態(tài)，可以捕獲載流子起到陷阱作用。陷阱參數(shù)可由熱刺激去極化電流(Thermallystimulateddepolarizationcurrent，TSDC)測試得出。如吳旭輝等人將氧化鋁(Al2O3)改性后與PI復(fù)合，通過TSDC測試了復(fù)合薄膜陷阱特性的變化，發(fā)現(xiàn)等離子改性后復(fù)合薄膜的TSDC曲線弛豫峰增大，向高溫區(qū)移動，表明聚合物陷阱的深度與密度同時增大，同時對應(yīng)的是擊穿場強的增大。值得注意的是，聚合物中的深陷阱因其強大的靜電勢作用，可捕獲載流子，增強聚合物的絕緣強度，而淺陷阱則會增大其載流子遷移率，對絕緣起到負(fù)面作用。為了研究深淺陷阱的綜合作用，Ru等人定義了平均陷阱深度uav描述納米復(fù)合材料的整體陷阱特性(見式(1))，發(fā)現(xiàn)在鈦酸鋇(BaTiO3，BT)/PI復(fù)合材料中uav與擊穿強度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，如圖2所示，并且當(dāng)BT含量為0.05wt%時，復(fù)合薄膜的平均陷阱能級與擊穿強度均達(dá)到最大值。

式中，uav是平均電子陷阱深度；ua(s)和ua(d)分別代表深陷阱和淺陷阱的深度；Nt(s)、Nt(d)則表示深陷阱和淺陷阱的密度。

部分研究表明，聚合物中的帶隙寬度也可影響其陷阱特性。Ding等人通過原位聚合法，將不同帶隙寬度的納米填料(包括Al2O3、HfO2、TiO2和BN納米片)分別與PI基體復(fù)合，探究了復(fù)合材料絕緣特性的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，具有最大帶隙寬度的Al2O3可在PI基體中誘導(dǎo)大量的深陷阱，顯著降低聚合物的泄漏電流并增強其擊穿強度。Kotaro等人通過密度泛函理論計算出了環(huán)氧樹脂(EP)/富勒烯復(fù)合材料的帶隙變化與擊穿強度間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)富勒烯的加入改變了復(fù)合材料的帶隙寬度，并且富勒烯的局域態(tài)能級作為電子和空穴陷阱，可抑制電子崩的發(fā)展，使復(fù)合材料的擊穿強度較純EP提升了32%。

通常認(rèn)為聚合物中的深陷阱可捕獲電極的注入電荷，被捕獲的電荷在電極表面形成反向獨立電場Fi，如式(2)所示，由于同極性電荷的排斥作用，入陷電荷所形成的電場與外部電場方向相反，在電極界面處形成阻塞效應(yīng)，減小了聚合物內(nèi)部空間電荷積聚引發(fā)的電場畸變，進(jìn)而提升其擊穿場強。

式中，Qt是陷阱所捕獲的電荷總量，可由TSDC測試得出，e0為真空介電常數(shù)，x0為入陷電荷的電荷中心位置，d為試樣的厚度。

為了驗證陷阱的空間電荷抑制作用，Dang等人研究了富勒烯(C60)與聚丙烯(PP)共混后其空間電荷和絕緣強度的變化，脈沖電聲法的測試結(jié)果表明聚合物內(nèi)的空間電荷積聚顯著減少，可以推測出是由于C60的高電子親和力在PP和C60界面處產(chǎn)生的大量深陷阱所造成的阻塞效應(yīng)，且復(fù)合薄膜的擊穿強度較純PP提升了21%。需要指出的是，雖然大量的研究都表明陷阱特性是影響電介質(zhì)擊穿強度的重要因素，但都是對其關(guān)系的定性描述，如何量化陷阱參數(shù)與擊穿強度間的關(guān)系，還需要對兩者間的變化機制做進(jìn)一步研究。

1.2自由體積

自由體積指聚合物無定形區(qū)域中的“孔穴"部分，是大分子鏈斷運動的場所，也是聚合物的一種本征缺陷。在早期研究中，Sabuni通過X射線測量了增塑劑對聚苯乙烯鏈間距的影響，發(fā)現(xiàn)了聚合物結(jié)構(gòu)的“松散性"與其擊穿強度具有很強的相關(guān)性。隨后，Artbauer等人提出了自由體積擊穿的概念，將聚合物中的自由體積與電子穿過勢壘所需要的能量聯(lián)系起來。Li等人認(rèn)為在強電場作用下，載流子在自由體積中可獲得最大加速度，當(dāng)電子的

速度超過閾值，也就是其能量高于勢壘時，電子會越過勢壘造成局部電流劇增，聚合物瞬間產(chǎn)生巨大的熱量，導(dǎo)致絕緣擊穿(如圖3所示)。

其擊穿判據(jù)可由式(3)表示。

為了研究納米填料對聚合物自由體積的影響，Yang等人制備了鈦酸鋇-氮化硼納米片/聚偏二氟乙烯(BTO-BNNS/PVDF)三元復(fù)合薄膜，并采用PALS研究了自由體積孔徑的變化，發(fā)現(xiàn)復(fù)合薄膜中自由體積的孔徑與BTO的含量呈正相關(guān)的關(guān)系，但當(dāng)BNNS加入后，自由體積孔徑先減小，然后增大，并且復(fù)合薄膜的擊穿強度也隨著BNNS的引入和自由體積孔徑的減小而增加[33]。此外，Wang團(tuán)隊對納米氧化鋅(ZnO)/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中氧化鋅含量、自由體積以及擊穿強度間的關(guān)系進(jìn)行了深入剖析，發(fā)現(xiàn)在較低的填充量下，納米粒子的極限效應(yīng)可以減少復(fù)合材料中非晶區(qū)的陷阱數(shù)量，并且其與聚合物鏈段之間的相互作用可限制分子鏈的運動，進(jìn)而降低材料的自由體積濃度，在與載流子陷阱的共同作用下，當(dāng)ZnO含量為1wt%時，復(fù)合薄膜的擊穿強度達(dá)到峰值，較純環(huán)氧樹脂提升了15.6%。但需要注意的是，并非所有納米粒子都可改變聚合物自由體積濃度，李盛濤等人在聚丙烯-氧化鋁復(fù)合體系中發(fā)現(xiàn)，聚合物的自由體積并沒有隨著氧化鋁的添加而發(fā)生顯著變化[27]。此外，J.KeithNelson等人通過對幾種基于二氧化硅納米復(fù)合材料的自由體積測試中也有類似發(fā)現(xiàn)，即納米粒子對聚合物的自由體積并不構(gòu)成影響[32]。總之，納米顆粒與自由體積間究竟有何聯(lián)系，時至今日還不清楚，且自由體積與擊穿強度間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制仍要做進(jìn)一步的深入研究。

1.3阻擋效應(yīng)

聚合物內(nèi)的非均勻區(qū)域在高壓作用下易引起局部電場畸變，導(dǎo)致局部放電。當(dāng)局放發(fā)展到一定程度會后出現(xiàn)樹枝狀的導(dǎo)電通道，電樹枝的出現(xiàn)是聚合物預(yù)擊穿的最主要特征之一。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在聚合物內(nèi)引入阻擋層可以阻礙電樹的形成和發(fā)展，從而延緩絕緣介質(zhì)的擊穿時間，提升擊穿強度。由于納米粒子耐電侵蝕能力較強，所以一般納米復(fù)合電介質(zhì)材料中有較為明顯的阻擋效應(yīng)。此外，在一些多層結(jié)構(gòu)中，由于夾層處勢壘的差異，使得電樹沿界面切向傳播，也能形成一定的阻擋效應(yīng)。

張曉虹等為了改善低密度聚乙烯(LDPE)的電樹枝耐受性，以脫蒙土(MMT)和二氧化硅(SiO2)為填料，通過熔融共混法制備了MMT-SiO2/LDPE三元復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)SiO2所形成的致密小晶體可與片狀MMT協(xié)同作用形成強大的阻擋層，電樹枝難以穿透阻擋層轉(zhuǎn)而向切向方向生長，從而提升了復(fù)合材料的耐電樹枝性能。此外，Samant等人通過冷區(qū)退火-軟剪切法，制作出了高度有序的多層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，歸因于多層結(jié)構(gòu)的阻擋效應(yīng)使電樹枝的發(fā)展路徑更為曲折(如圖4所示)，復(fù)合薄膜的擊穿強度較普通層狀結(jié)構(gòu)提升了50%。為了確定多層復(fù)合薄膜中具有最大擊穿強度的阻擋層的臨界厚度，Zhou等人制作了總厚度不變但層數(shù)和厚度不同的聚碳酸酯/聚偏氟乙烯復(fù)合材料，研究了薄膜從20nm到5mm的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最佳厚度為160nm時，復(fù)合薄膜的擊穿強度達(dá)到最大值，通過均勻控制層厚度和擊穿成像進(jìn)一步驗證了電樹枝在擊穿過程中的橫向傳播可以使擊穿強度大幅提升。