直流擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀對(duì)絕緣材料的研究

1、概述：

    高儲(chǔ)能密度復(fù)合絕緣材料在電力系統(tǒng)、脈沖功率技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用需求 。在脈沖功率技術(shù)中由于儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能密度低, 限制了高功率脈沖電 源的小型化和實(shí)用化 。實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件的小型化和輕量化, 改善材料的儲(chǔ)能密度是關(guān)鍵 。目前, 在大多數(shù) 場(chǎng)合下所用材料的儲(chǔ)能密度與高功率脈沖電源從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱玫囊筮€有相當(dāng)?shù)木嚯x。 高功率窄脈沖平臺(tái)中 Blumlein 線( 脈沖形成線) 是一個(gè)關(guān)鍵儲(chǔ)能和脈沖形成部件。它的長(zhǎng)度與儲(chǔ)能絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相關(guān), 厚度主要受材料的絕緣性能影響 。脈沖電源輸出電壓脈寬( τ) 由 Blumlein 線材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率決定, 即 :

    式中:L 為 Blumlein 線的長(zhǎng)度, μ、ε分別為材料 的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù), C 為光速。 

    可見(jiàn), 要形成長(zhǎng)脈沖, 材料的尺寸隨之增加。以 脈寬 50ns 為例, 常用的油介質(zhì) Blumlein 線大約要 5m 長(zhǎng), 嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的小型化 。如果材料相對(duì)介電 常數(shù)( 下文提到的介電常數(shù)均指相對(duì)介電常數(shù)) 大于 100, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)大于 400kV cm, 用這種材料制作的 Blumlein 線與用油介質(zhì)的 Blumlein 線相比體積減小近十倍, 而且穩(wěn)定性增強(qiáng), 不需要附屬設(shè)施, 這對(duì)脈 沖源的小型化 、實(shí)用化具有極其重要的意義, 但它對(duì)材料提出了苛刻要求。 

    一般情況下, 固體 Blumlein 線采用陶瓷材料, 但 陶瓷材料加工性差, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)低, 使它的應(yīng)用受到限制。目前主要采用納米技術(shù)改性陶瓷材料, 以增強(qiáng) 其加工特性和擊穿強(qiáng)度來(lái)達(dá)到使用要求 。美國(guó) Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Missouri Rolla 大學(xué)等研究單位都 曾有相關(guān)的研究。采用高介電常數(shù)復(fù)合絕緣材料為解決這個(gè)難題提供了一種思路, 國(guó)內(nèi)國(guó)外都有相關(guān)的研究。由于高儲(chǔ)能材料在脈沖功率技術(shù)中的特殊應(yīng)用, 國(guó)外的相關(guān)報(bào)道比較謹(jǐn)慎, 對(duì)材料的成分、制備方法 、機(jī)理 、測(cè)量條件等沒(méi)有詳細(xì)的介紹。 美國(guó)的 Pennsylvania State 大學(xué)材料研究實(shí)驗(yàn)室在辦公室的支持下開(kāi)展高儲(chǔ)能密度復(fù)合材料的研究 , 他們將瓷粉( 平均直徑 0.5μm) 與偏氟乙烯、三 氟乙烯的共聚物溶于甲乙酮溶液, 混合后, 固化制得 介電常數(shù) ε=250, 擊穿場(chǎng)強(qiáng) E =為1.2 MV cm( 在幾 十 μm 厚度的薄膜上測(cè)得) 的復(fù)合材料, 但在厚尺寸 下其擊穿強(qiáng)度卻大幅度下降, 而且制造困難, 不適用 于固體 Blumlein 線 。國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué) 、上海交通 大學(xué)等單位也研究過(guò)相關(guān)高介電常數(shù)復(fù)合絕緣材料 , 研究表 明, 在 聚乙烯中加入60 %以上的BaTiO3 ( 鈦酸鋇) 微粒( 微米級(jí)) , 復(fù)合材料的介電常 數(shù)大于 20 ;同時(shí)加入 20 %鋁粉和 40 %BaTiO3 微粒, 復(fù)合材料的介電常數(shù)可達(dá)到 40, 但其擊穿場(chǎng)強(qiáng)只有 幾十 kV cm 。目前主要進(jìn)行對(duì)各種復(fù)合材料體系的 特性及其體系間相互作用機(jī)理的研究, 但由于材料 的復(fù)雜性, 還沒(méi)有統(tǒng)一的理論解釋和指導(dǎo), 亟待進(jìn)一 步深入的研究。 固體 Blumlein 線的研究工作已經(jīng)展開(kāi)許多年, 傳輸理論比較清楚 , 但是由于材料的限制, 它的應(yīng)用還不能推廣, 隨著脈沖功率技術(shù)民用化的進(jìn)程的發(fā)展, 其研究的需求日益迫切 。針對(duì)這一需求, 我們展開(kāi)了高密度儲(chǔ)能聚合物復(fù)合絕緣材料的研究工作。

2、高儲(chǔ)能密度聚合物復(fù)合絕緣材料的試驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)原材料：

    在高分子聚合物材料中, 聚酰亞胺( PI) 的優(yōu)良性能, 不僅表現(xiàn)在耐熱、耐寒特性, 具有良好 的介電特性, 并且容易實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì), 滿 足不同的性能要求。我們選擇聚酰亞胺作為基體樹(shù) 脂, 具有高介電常數(shù)的 BaTiO3 系陶瓷粉體作為無(wú)機(jī) 添加劑, 采取合理的工藝制備復(fù)合材料 。 

    所用原材料 :聚酰亞胺樹(shù)脂 KH304, 由中國(guó)科學(xué) 院化學(xué)研究所提供 。BaTiO3 系粉體 :B 粉和 F 粉兩 種, 相對(duì)介電常數(shù)分別為:2000 和 12000 ;由西安交 通大學(xué)電氣設(shè)備與電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供 。

聚酰亞胺-陶瓷復(fù)合材料的制：

高介電常數(shù)聚酰亞胺復(fù)合材料的制備過(guò)程示意 圖, 見(jiàn)圖 1 。

    對(duì)不同介電常數(shù)的 B 、F 的 BaTiO3 微粒, 分別以 30%、50%、65%、80%的含量加入聚酰亞胺基體制得試 樣分組為:A ( 0 %) ;加入 B 粉分別為 A1( 35%) 、A2 (50%) 、A3( 65 %) 、A4 ( 80%) ;加 入 F 粉分別為 B1 (35 %) 、B2( 50%) 、B3(65%) 、B4( 80 %) ;每組試樣三個(gè)。

性能測(cè)試

直流擊穿強(qiáng)度

    直流實(shí)驗(yàn)采用倍壓整流電路, 試驗(yàn)電壓 0 ～ 1.3 ×105V 。最高可輸出 1.3 ×105V 直流高壓 。樣品上 的電壓由靜電電壓表來(lái)測(cè)量, 量程最高可達(dá) 100kV 。 試驗(yàn)采用不對(duì)稱電極系統(tǒng), 高壓電極為 25 的圓柱 銅電極, 接地電極為 75 的圓臺(tái)銅電極, 試驗(yàn)采用 快速升壓法。快速升壓是指電壓從零上升到擊穿電 壓所經(jīng)歷的時(shí)間, 約為 10 ～ 20s, 施加最高電壓 100kV 。

    試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1, 所測(cè)的數(shù)據(jù)有分散性, 但從整 體來(lái)看這批試樣還是成功的, 有的試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)超 過(guò)了 400kV cm 。

介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角正切：

    相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測(cè)量采用 ZJD-C介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)試儀。分別在 1kHz 、10kHz 、 100kHz 和 1000kHz 進(jìn) 行 了 測(cè) 量, 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 見(jiàn) 圖 2 ～ 5 。 可以看出, A 組試樣與 B 組試樣的介電常數(shù)相 差不是很大 。在 1kHz ～ 1000kHz 頻率范圍內(nèi), 材料 的介電常數(shù)略有減小, 變化不大, 而損耗隨頻率增加 而增加;BaTiO3 含量變大, 復(fù)合材料的介電常數(shù)明顯 提高, 介質(zhì)損耗角正切趨向增加;加入F 粉體的復(fù)合 物介電常數(shù)略大于加入 B 粉體的復(fù)合物, 損耗的規(guī) 律不明顯。試驗(yàn)結(jié)果基本符合規(guī)律[ 12] 。 A 組試樣 與 B 組試樣所加入的 BaTiO3 粉體介電常數(shù)相差 6 倍, 但復(fù)合材料的介電常數(shù)增加卻不出現(xiàn)這種結(jié)果, 這可能是由于高介電常數(shù)陶瓷在粉碎成為粉體的過(guò) 程中無(wú)法保持其高介電常數(shù)特性 。

電阻率：

    電阻率用ZST-121型高阻計(jì)測(cè)量, 加 1000V 電壓。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 6 所示 。A 組試樣的電阻率略高于 B 組, 說(shuō)明復(fù)合材料介電常數(shù)提高, 即電容提高, 會(huì)引 起材料電阻的降低 。因?yàn)楦呓殡姵?shù)意味著容易極化, 直接影響材料的導(dǎo)電能力 。

結(jié)論

    試驗(yàn)結(jié)果表明, 復(fù)合材料的絕緣強(qiáng)度優(yōu)良, 有的擊穿場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)了 400kV cm 。在 1kHz ～ 1000kHz 頻率范圍內(nèi), 材料的介電常數(shù)隨著頻率的提高略有減小, 變化不大, 而損耗隨頻率增加而增加;BaTiO3 含量增 大, 復(fù)合材料的介電常數(shù)明顯提高, 介質(zhì)損耗角正切趨向增加 ;加入 F 粉體的復(fù)合物介電常數(shù)略大于加 入 B 粉體的復(fù)合物。加入BaTiO3 會(huì)減小材料的電 阻率 。

    初步的研究結(jié)果表明目前試樣的性能與應(yīng)用需求還有一定的距離, 但通過(guò)進(jìn)一步對(duì)基體材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和調(diào)整 、陶瓷粉體微粒的細(xì)化和工藝變化等方法, 復(fù)合材料的參數(shù)還可以進(jìn)一步提高。 同時(shí), 還可能通過(guò)其它的方法來(lái)達(dá)到固體Blumlein 線的要求, 如在聚合物中加入磁性材料粉末, 適當(dāng)?shù)?/span>提高材料的磁導(dǎo)率等, 我們將進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究工作 。