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固體介電擊穿強度試驗儀擊穿理論概述
固體介電擊穿強度試驗儀擊穿理論概述：
固體電介質根據(jù)電介質被擊穿時間不同，將擊穿分為長時擊穿和短時擊穿；短時擊穿中，根據(jù)擊穿機理不同，又可分為電子擊穿、熱擊穿、局部放電擊穿、電機械擊穿和次級效應擊穿。
相對于傳統(tǒng)電介質，聚合物的介電性質與其組成分子大小、分子量、化學結構等因素有關。大量實驗表明：提高材料的宏觀均勻性和微觀不完整性，它的擊穿場強會增大。例如聚合物材料的擊穿場強一般比晶體材料大，極性電介質的擊穿場強普遍高于非極性材料。
電擊穿和熱擊穿都表現(xiàn)為介電材料電導的突增，二者的原理不同。電擊穿是由于電子在外電場的作用下被加速，電導增加。實際上任何現(xiàn)實中的電介質都不是絕對絕緣的，在電介質內部存在一定數(shù)量的載流子，具有一定的電導 。施加一個外電場后，會有一定的電流經(jīng)過電介質，從而產(chǎn)生一定的焦耳熱；若電介質處于交變電場下，還會出現(xiàn)與極化弛豫過程相關的介電損耗，它們以熱能的形式散發(fā)。熱擊穿是施加電場后電介質內部產(chǎn)生的熱使介質材料溫度升高，導致電導增大直至介電*失敗的現(xiàn)象。
熱擊穿：
熱擊穿理論最早由 Wagner 在 1922 年提出，是描述固體擊穿理論的。描述當電流通過絕緣體時焦耳熱是怎樣被平衡的。熱能有兩個去處，一個是周圍環(huán)境溫度的升高，另一個是介質材料溫度的增加。
(1) 電壓較低時，散熱速率大于放熱速率，介質溫度不會發(fā)生明顯變化，不會破壞電介質的絕緣性；
(2) 在某一電壓時，散熱速率等于放熱速率，已然沒有多余的熱量作用于介質本身，此時電介質絕緣性良好；
(3) 當電壓增加到某一臨界電壓 Uc 時，散熱速率小于放熱速率，介質從散熱量和放熱量相補償?shù)钠胶鈶B(tài)轉為非平衡態(tài)，此時未被平衡掉的熱量使得介質溫度升高，引發(fā)電介質內部電導增加，在介電材料內部存在一個溫度和電導的正反饋，在某一時刻，引發(fā)介質熱擊穿，電介質*喪失絕緣性能。熱擊穿的擊穿過程較為緩慢，一般需要幾秒時間。 熱擊穿理論上可以被下面等式所表述：
VC代表單位體積的比熱，tK 是熱導系數(shù)，T 是樣品溫度， E 是施加電場，?是電導率。公式(2-10)中左邊第一項代表材料吸收的熱量，第二項代表散發(fā)到周圍環(huán)境的熱量，這兩項正是之前所提到的兩個能量損耗源；等式右邊代表產(chǎn)生的總熱量。
人們通過許多實驗和理論研究得出擊穿場強的定性結論，主要特點如下：
(1) 高溫區(qū)易發(fā)生熱擊穿，熱擊穿場強隨溫度的升高呈下降趨勢；
(2) 介電質越厚，擊穿場強一般越高，但是厚度大的電介質散熱差，所以熱擊穿場強不隨介質厚度成正比增加；
(3) 直流電壓比交流電壓下測試的BE 大，因為極化弛豫過程引發(fā)的介電損耗增加了介質的溫度。因此，當電壓頻率升高時，BE 降低；
(4) 熱擊穿場強與樣品耐熱性能和散熱條件等外界因素有關，受外界影響較大。
電擊穿：
當固體電介質的電導? 或介質損耗 tan? 很小，又有良好的散熱條件時，介質通常不會發(fā)生熱擊穿。在低溫區(qū)，聚合物擊穿場強與高溫區(qū)有所不同，顯示與溫度無關或正溫度依賴性，這表明在低溫區(qū)有其他擊穿機制存在。事實上，起作用的正是電擊穿。
電擊穿是由于電介質中存在著少量處于導帶能量狀態(tài)的電子，它們在外加電場的作用下與晶格結點上的原子發(fā)生碰撞，使得晶格結點上原子電離產(chǎn)生電子崩，當電子崩發(fā)展到足夠強時，引發(fā)電介質擊穿，這種擊穿具有電子本原，歸因于電子的失穩(wěn)性，因此程之為電擊穿或電子擊穿。
在電擊穿領域的先驅者是 Von Hippel，他創(chuàng)作了單電子模型來解釋在低溫下的擊穿行為。基于 Von Hippel 的研究，F(xiàn)roholich 的高能準則內部擊穿模型和 Seitz的雪崩擊穿模型也建立起來?？偟膩碚f，這類擊穿涉及到在外加電場下電荷載
體的運動，主要解釋電荷載體怎樣產(chǎn)生和增加，它們攜帶的能量是如何把轉移到晶格里的。
實質上大約在本世紀 30 年代，以 Von Hippel 和 Froholich 為代表，在固體物理基礎上，以量子力學為工具，逐步建立了固體電介質電擊穿的碰撞理論，固體電介質的電擊穿理論是在氣體放電的碰撞電離理論基礎上建立起來的。這一理論可簡述如下：在強電場的作用下，因冷發(fā)射或者熱發(fā)射的作用在固體電介質中存在一些原始自由電子。一方面這些電子在外電場作用下被加速，獲得動能；另一方面與晶格振動相互作用，把電場能量傳遞給晶格。當這兩個過程在一定溫度和場強下達到互相平衡時，固體介質會產(chǎn)生穩(wěn)定的電導；當電子從電場中得到的能量大于傳遞給晶格振動的能量時，電子的動能會變得越來越大，至電子能量大到某一臨界值時，電子與晶格振動相互作用導致其電離產(chǎn)生新電子，使得自由電子數(shù)迅速增加，電導進入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。 電介質電擊穿的實驗規(guī)律有以下幾個方面：
(1) 在室溫或低溫時出現(xiàn)；
(2) 材料的BE 與樣品的尺寸、外貌無關，它是材料的本性特性參數(shù)；
(3) BE 值與外壓波形無關，因電擊穿在很短的時間內完成，作用時間<10-6s；
(4) BE 是樣品厚度 d 的緩變函數(shù)，但當 d 很小時BE 的變化較快， d <10-6m 時BE 隨 d 的下降快速增加，成為薄層強化效應；
(5) 介質內部擊穿經(jīng)常按一定的方向進行。
在研究電擊穿場強時，為能求得真實電介質擊穿場強，保證材料足夠的散熱避免熱擊穿發(fā)生，縮短電壓作用時間，并且要盡量在電介質內部建立足夠均勻的電場，只有同時滿足以上條件時，才能獲得比較純粹的電擊穿場強。在研究電介質的電擊穿規(guī)律是，需要注意以下幾個方面：
(1) 電介質厚度不能太厚，否則造成電極邊緣電場分布不均勻；
(2) 電極的形狀要上下對稱；
(3) 電極與被測材料間接觸緊密，避免在電極和固體電介質的空隙發(fā)生電離；
(4) 測試時將樣品放在液體介電煤質中，消除表面靜電作用。
