電介質(zhì)測量

目錄

前言

第一章 描寫電介質(zhì)的參數(shù)以及關(guān)于電介質(zhì)測量的概述

第二章 樣品和電極系統(tǒng)

第三章 直流電阻系數(shù)的測量

第四章 電橋法

第五章 諧振回路法

第六章 凹形諧振腔法

第七章 測量線法

第八章 諧振空腔法

附錄

參考文獻(xiàn) 2100433B

電介質(zhì)測量是研究無機材料、有機材料和復(fù)合材料的性能、合成、應(yīng)用和機理必不可少的手段，其測量方法的研究在國內(nèi)外一直是非常活躍的領(lǐng)域之一。十多年前所創(chuàng)立的色散傅里葉變換波譜測定法，使電介質(zhì)測量進(jìn)入了亞毫米波、遠(yuǎn)紅外區(qū)域；而超高頻微波頻率時域法的建立，為電介質(zhì)頻譜的測量提供了更為方便的手段。

本書是以作者多年從事電介質(zhì)測量研究工作的實際經(jīng)驗為基礎(chǔ)而寫成的，書中比較系統(tǒng)地介紹了材料的介電系數(shù)和損耗角正切的頻譜、溫度譜測量的原理和技術(shù)，并給出了一些切實可行的測量方案。全書盡量避免繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，著重于方法的概念和測量技術(shù)，使其通俗易懂和富有實用性。

本書可供從事電介質(zhì)材料的研制、應(yīng)用和結(jié)構(gòu)研究的科技人員及大專院校師生參考。

在強電場作用下，電介質(zhì)喪失電絕緣能力的現(xiàn)象。分為固體電介質(zhì)擊穿、液體電介質(zhì)擊穿和氣體電介質(zhì)擊穿3種。

不同電介質(zhì)的極化程度是不一樣的。為了分析電介質(zhì)極化的宏觀效應(yīng)，常引入極化強度P這一物理量來表征電介質(zhì)的極化特性。極化強度是一個矢量，定義單位體積內(nèi)電偶極子電矩的矢量和為極化強度。

在強電場作用下，固體電介質(zhì)喪失電絕緣能力而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。導(dǎo)致?lián)舸┑淖畹团R界電壓稱為擊穿電壓。均勻電場中，擊穿電壓與固體電介質(zhì)厚度之比稱為擊穿電場強度（簡稱擊穿場強，又稱介電強度），它反映固體電介質(zhì)自身的耐電強度。不均勻電場中，擊穿電壓與擊穿處固體電介質(zhì)厚度之比稱為平均擊穿場強，它低于均勻電場中固體電介質(zhì)的介電強度。固體電介質(zhì)發(fā)生擊穿后,由于有巨大的電流通過,電介質(zhì)中會出現(xiàn)熔化或燒焦的通道，或出現(xiàn)機械損傷的裂紋。固體電介質(zhì)的這些變化是不可逆的，不能自己恢復(fù)原來的絕緣性能。脆性固體電介質(zhì)擊穿時，常發(fā)生材料的碎裂，故可用擊穿效應(yīng)來破碎非金屬礦石等。

擊穿形式　根據(jù)擊穿的發(fā)展過程，固體電介質(zhì)的擊穿可分為3種形式:電擊穿、熱擊穿和電化學(xué)擊穿。它們的一般特征如表所示。同一種電介質(zhì)中發(fā)生何種形式的擊穿，取決于不同的外界因素。隨著擊穿過程中固體電介質(zhì)內(nèi)部的變化，擊穿過程可以從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。　電擊穿 　取決于固體電介質(zhì)中碰撞電離的一種擊穿形式。電場使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和足夠能量的帶電質(zhì)點，導(dǎo)致電介質(zhì)喪失絕緣性能。對于電擊穿有以下幾種不同的理論解釋：本征擊穿、電子崩擊穿和電致機械應(yīng)力擊穿，通常以本征擊穿代表電擊穿，所以電擊穿有時又稱本征擊穿。本征擊穿過程所需時間為10-8s數(shù)量級，擊穿場強大于1MV/cm。

固體電介質(zhì)內(nèi)總會存在少量自由傳導(dǎo)(處于導(dǎo)帶的)電子。在電場作用下，它們會從電場獲取能量。單位時間內(nèi)這些電子取得的能量A與電場強度E、電子本身能量W、點格溫度T有關(guān)。另一方面，傳導(dǎo)電子也將因與固體電介質(zhì)點格發(fā)生碰撞而失去一部分能量。單位時間內(nèi)傳導(dǎo)電子失去的能量B與W和T有關(guān)。當(dāng)點格溫度T為定值時，A、B與W的關(guān)系如圖1所示。圖中E2>EC>E1。當(dāng)外加電場為E2>EC時,因一部分傳導(dǎo)電子的能量處于W2～WC之間，單位時間內(nèi)這些電子獲得的能量A始終大于失去的能量B，電子被加速，碰撞點格時產(chǎn)生電離,使處于導(dǎo)帶的電子不斷增加，電流急劇上升,最終導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿。當(dāng)外加電場為E1EC時,雖然偶而會有能量大于W1的電子出現(xiàn),且因此時A>B而使點格發(fā)生碰撞電離、產(chǎn)生新的傳導(dǎo)電子；但因電子能量大于W1的概率很低,所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過程很難出現(xiàn),固體電介質(zhì)不會擊穿。處于臨界狀態(tài)的EC即為固體電介質(zhì)的介電強度。

熱擊穿 　在電場作用下，固體電介質(zhì)承受的電場強度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過高而導(dǎo)致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。

固體電介質(zhì)在電場作用下將因電導(dǎo)和極化損耗而發(fā)熱。單位時間內(nèi)固體電介質(zhì)的發(fā)熱量A與作用電壓U、介質(zhì)溫度t有關(guān)。另一方面固體電介質(zhì)也將向四周散發(fā)熱量。單位時間內(nèi)固體電介質(zhì)的散熱量B與(t-t0)有關(guān)(t0為環(huán)境溫度)。A、B與t的關(guān)系如圖2所示。圖中U2>UC>U1。當(dāng)外加電壓U2>UC時，固體電介質(zhì)中的發(fā)熱量A大于散熱量B，介質(zhì)溫度上升,且因A始終大于B,所以固體電介質(zhì)的溫度不斷上升，最終介質(zhì)被燒焦、燒熔或燒裂，喪失絕緣性能，發(fā)生熱擊穿。當(dāng)外加電壓U1UC時,雖然開始時A>B,固體電介質(zhì)溫度上升;但當(dāng)溫度升到t1時，發(fā)熱量A與散熱量B相等，建立起了熱平衡。此時,若介質(zhì)能耐受溫度t1的作用,則固體電介質(zhì)能正常工作,不會發(fā)生熱擊穿。當(dāng)外加電壓等于UC時,當(dāng)介質(zhì)溫度升到t2時，建立起了熱平衡，但不穩(wěn)定。溫度略有升高,發(fā)熱量A即大于散熱量B,最終仍然發(fā)生熱擊穿。電壓UC是發(fā)生熱擊穿的臨界電壓。

電化學(xué)擊穿 　在電場、溫度等因素作用下，固體電介質(zhì)發(fā)生緩慢的化學(xué)變化，性能逐漸劣化，最終喪失絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。電化學(xué)擊穿過程包括兩部分：因固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而引起的電介質(zhì)老化；與老化有關(guān)的擊穿過程。

固體電介質(zhì)發(fā)生緩慢化學(xué)變化的原因多種多樣。直流電壓下，固體電介質(zhì)因離子電導(dǎo)而發(fā)生電解，結(jié)果在電極附近形成導(dǎo)電的金屬樹枝狀物，甚至從一個電極伸展到另一個電極。在電場作用下，固體電介質(zhì)內(nèi)部的氣泡中，或不同固體電介質(zhì)之間的氣隙或油隙中，會發(fā)生局部放電。與固體電介質(zhì)接觸的電極邊緣場強較強的局部區(qū)域內(nèi)如有氣體或液體電介質(zhì)，這里也會發(fā)生局部放電。局部放電的長期作用會使固體電介質(zhì)逐步損壞?？諝庵械姆烹妼⑿纬沙粞酢⒌难趸锏然瘜W(xué)性質(zhì)活潑的物質(zhì)，它們會使固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化。對有機固體電介質(zhì)，在電極上尖端處或微小空氣隙處，會發(fā)生樹枝狀放電，并留下炭化痕跡。

電場越強，溫度越高，電壓作用時間越長，固體電介質(zhì)的化學(xué)變化進(jìn)行得越強烈，其性能的劣化也越嚴(yán)重。

固體電介質(zhì)的化學(xué)變化通常使其電導(dǎo)增加，這會使固體電介質(zhì)的溫度上升，因而電化學(xué)擊穿的最終形式是熱擊穿。

影響因素 　影響固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要因素有：電場的不均勻程度，作用電壓的種類及施加的時間，溫度，固體電介質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)，電壓作用次數(shù)，機械負(fù)荷，受潮等。

①電場的不均勻程度：均勻、致密的固體電介質(zhì)在均勻電場中的擊穿場強可達(dá)1～10MV/cm。擊穿場強決定于物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與外界因素的關(guān)系較小。當(dāng)電介質(zhì)厚度增加時，由于電介質(zhì)本身的不均勻性，擊穿場強會下降。當(dāng)厚度極小時 (-3～10-4cm)，擊穿場強又會增加。電場越不均勻，擊穿場強下降越多。電場局部加強處容易產(chǎn)生局部放電，在局部放電的長時間作用下，固體電介質(zhì)將產(chǎn)生化學(xué)擊穿。

②作用電壓時間、種類：固體電介質(zhì)的三種擊穿形式與電壓作用時間有密切關(guān)系 （圖3）。同一種固體電介質(zhì)，在相同電場分布下，其雷電沖擊擊穿電壓通常大于工頻擊穿電壓，且直流擊穿電壓也大于工頻擊穿電壓。交流電壓頻率增高時，由于局部放電更強，介質(zhì)損耗更大，發(fā)熱嚴(yán)重，更易發(fā)生熱擊穿或?qū)е禄瘜W(xué)擊穿提前到來。

③溫度：當(dāng)溫度較低，處于電擊穿范圍內(nèi)時，固體電介質(zhì)的擊穿場強與溫度基本無關(guān)。當(dāng)溫度稍高，固體電介質(zhì)可能發(fā)生熱擊穿。周圍溫度越高，散熱條件越差，熱擊穿電壓就越低。

④固體電介質(zhì)性能、結(jié)構(gòu)：工程用固體電介質(zhì)往往不很均勻、致密，其中的氣孔或其他缺陷會使電場畸變，損害固體電介質(zhì)。電介質(zhì)厚度過大，會使電場分布不均勻，散熱不易，降低擊穿場強。固體電介質(zhì)本身的導(dǎo)熱性好，電導(dǎo)率或介質(zhì)損耗小，則熱擊穿電壓會提高。

⑤電壓作用次數(shù)：當(dāng)電壓作用時間不夠長，或電場強度不夠高時,電介質(zhì)中可能來不及發(fā)生完全擊穿,而只發(fā)生不完全擊穿。這種現(xiàn)象在極不均勻電場中和雷電沖擊電壓作用下特別顯著。在電壓的多次作用下，一系列的不完全擊穿將導(dǎo)致介質(zhì)的完全擊穿。由不完全擊穿導(dǎo)致固體電介質(zhì)性能劣化而積累起來的效應(yīng)稱為累積效應(yīng)。

⑥機械負(fù)荷：固體電介質(zhì)承受機械負(fù)荷時，若材料開裂或出現(xiàn)微觀裂縫，擊穿電壓將下降。

⑦受潮：固體電介質(zhì)受潮后，擊穿電壓將下降。

提高擊穿電壓措施　根據(jù)固體電介質(zhì)的擊穿形式及影響擊穿電壓的因素，提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要措施有:①改善電場分布（見電場調(diào)整）,如電極邊緣的固體電介質(zhì)表面涂半導(dǎo)電漆；②調(diào)整多層絕緣中各層電介質(zhì)所承受的電壓；③對多孔性、纖維性材料經(jīng)干燥后浸油、浸漆,以防止吸潮,提高局部放電起始電壓；④加強冷卻，提高熱擊穿電壓；⑤改善環(huán)境條件，防止高溫，避免潮氣、臭氧等有害物質(zhì)的侵蝕 。