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ASTM D149介電強(qiáng)度和擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)
擊穿強(qiáng)度又可稱為介電強(qiáng)度，是電介質(zhì)材料的一個(gè)重要參數(shù)。聚合物基復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度一般用威布爾分布來(lái)表示并用于分析材料的可靠性。如圖2-14所示，為純的PVDF和不同填料含量下復(fù)合材料的威布爾分布圖。可以看出，隨著填料的加入，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度整體上呈降低趨勢(shì)，例如，當(dāng)填料從0wt%增加至40wt%時(shí)，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度從2686kV/cm降到1473kV/cm。這可能是由于填料加入對(duì)聚合物基體造成了一定的缺陷，而擊穿過(guò)程實(shí)際上電樹(shù)枝化發(fā)展的過(guò)程，缺陷的存在更容易在界面間產(chǎn)生漏電電流，使得擊穿過(guò)程加速(LuoSBetal,2017)。在低填料時(shí)，相應(yīng)的空間電荷和可移動(dòng)的自由電子產(chǎn)生的相對(duì)較少，那么，產(chǎn)生的漏電電流較少，相應(yīng)的擊穿強(qiáng)度不至于降低太多。隨著填料的增加，即使顆粒在聚合物基體中分散較好，但由于顆粒間距的減小，產(chǎn)生量子躍遷效應(yīng)，使得在界面積聚更多的電荷，漏電電流增加，大大降低復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度。雖然，介電強(qiáng)度有所降低，但復(fù)合材料整體的可靠性還是能夠保持在一定的水平，對(duì)此類的電介質(zhì)復(fù)合材料還是有一定的參考價(jià)值。
根據(jù)公式2-1和2-2，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度的Weibull分布如圖3-13所示，從圖中可以看到，純的PVDF的擊穿強(qiáng)度為2686kV/cm，當(dāng)填料含量為1wt%時(shí)，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度為2852kV/cm，提升了約7.7%，這可能是由于低含量下復(fù)合材料中聚合物基體占主導(dǎo)，填料中BT的加入在一定程度弱化了基體和多孔碳球的界面能，降低了復(fù)合材料的電導(dǎo)率，從而使得復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度有所上升，當(dāng)填料含量進(jìn)一步增加時(shí)，擊穿強(qiáng)度由2852kV/cm迅速降低至340kV/cm，這主要源于，隨著填料的增加，復(fù)合材料中填料占主導(dǎo)，粗糙的顆粒表面及顆粒與基體之間的界面成為聚合物基復(fù)合材料內(nèi)部介電擊穿的薄弱區(qū)。在這種情況下，電樹(shù)枝生長(zhǎng)直接發(fā)展成裂紋，產(chǎn)生漏電電流導(dǎo)致復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度降低，并且填料越多，擊穿強(qiáng)度越低，當(dāng)填料含量增加至9wt%時(shí)，復(fù)合材料性質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，形成導(dǎo)電通路，變成導(dǎo)電體，擊穿強(qiáng)度低。但從另一參數(shù)β來(lái)看，此復(fù)合材料中，填料的分布還是較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚，只是在高含量9wt%時(shí)，復(fù)合材料的均勻性有所下降，可能是大量填料的加入出現(xiàn)了堆積現(xiàn)象，總的來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的穩(wěn)定性還是比較高。
根據(jù)儲(chǔ)能密度公式可以知道，擊穿強(qiáng)度對(duì)儲(chǔ)能密度的提升占據(jù)主要因素，因此對(duì)三層膜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的擊穿性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)整理計(jì)算得出三層膜復(fù)合材料的雙參數(shù)威布爾分布圖，如圖4-6所示，從分布圖上可以看出，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度有顯著提高，特別是1-0-1復(fù)合材料，可高達(dá)3635kV/cm，是純的PVDF的1.4倍，而3-0-3復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度略高于純的PVDF，是它的1.1倍，隨著填料的進(jìn)一步增加，大大破壞了外層中PVDF的連續(xù)結(jié)構(gòu)，即使中間層留有連續(xù)的PVDF，也不能大大延緩擊穿過(guò)程中電樹(shù)枝的生長(zhǎng)，使得復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度越來(lái)越低，但整體下來(lái)，復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度仍能保持在1000kV/cm以上，與單層復(fù)合材料相比，三層膜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度得到大大提升，說(shuō)明此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是有助于復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度的提升。另外，從形狀因子來(lái)看，復(fù)合材料可靠性也有所提高，這可能要?dú)w因于聚合物優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及良好的加工性。
