什么是電介質(zhì)材料的擊穿電壓強度

擊穿電壓強度也是表征電介質(zhì)材料儲能能力的一個重要參數(shù)。實用的電介質(zhì)材料都不是理想的絕緣體材料，材料內(nèi)部會存在少量的載流子，在電場作用下形成微弱電流，電場強度比較弱時，電介質(zhì)材料內(nèi)的電流隨電壓的升高而加大，并與電壓呈線性關(guān)系，電場強度增強時，電流就會偏離歐姆定律，隨電壓的增加呈現(xiàn)冪函數(shù)或者指數(shù)上升趨勢，當(dāng)電壓升高到一定程度，電流陡然增加，此時電介質(zhì)材料就會從絕緣體變成導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)材料的擊穿，如果電介質(zhì)材料厚度為d，擊穿臨界電壓為U_b，并且假設(shè)擊穿前瞬間電介質(zhì)材料體內(nèi)電場均勻，則稱：

為電介質(zhì)材料的擊穿電壓強度。

根據(jù)產(chǎn)生擊穿的機理，通常可以將介電擊穿分為電子擊穿、電離擊穿、熱擊穿等幾種類型，實際擊穿可以是某種類型占主要，也可以是幾種原因的疊加。

1)電子擊穿是在高電場作用下，介質(zhì)材料中的少量自由電子沿著電場的方向運動，當(dāng)它們獲得足夠的能量后與其他分子碰撞，激發(fā)出新的自由電子，這些新生的電子又從電場獲得能量，并繼續(xù)發(fā)生類似碰撞激發(fā)出更多的自由電子，這一過程反復(fù)進(jìn)行，產(chǎn)生大量作為載流子的自由電子以致電流急劇上升，最終導(dǎo)致擊穿發(fā)生。

2)電離擊穿是由于介質(zhì)材料中少量低電離勢雜質(zhì)發(fā)生電離引起的。因為電場強度達(dá)到其電離勢以上時發(fā)生電離產(chǎn)生的大量自由電子只見參加導(dǎo)電，導(dǎo)致材料擊穿發(fā)生。電離擊穿主要是氣體電離放電引起的。

電子擊穿和電離擊穿統(tǒng)稱為電擊穿，電擊穿理論按判定條件不同可分為兩大類，一是碰撞電離理論，也叫本征電擊穿理論，以碰撞電離開始作為擊穿判據(jù);一是雪崩擊穿理論，該理論以電離開始后，電子數(shù)倍增到一定數(shù)值，足以使電介質(zhì)材料由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體為擊穿判據(jù)。

3)在電場作用下，電介質(zhì)材料內(nèi)部由于介電損耗而產(chǎn)生的一定的熱量，當(dāng)熱量的產(chǎn)生速度超過熱量的散失速度時，就會在電介質(zhì)材料內(nèi)部形成熱量的積累，使材料的溫度上升，溫度上升會引起電介質(zhì)材料的電導(dǎo)率呈指數(shù)形式急劇增大，而電導(dǎo)損耗又會產(chǎn)生更多的熱量促使溫度進(jìn)一步上升，這樣惡性循環(huán)的結(jié)果，則導(dǎo)致電介質(zhì)材料的抗擊穿能力大大下降。

擊穿發(fā)生的原因除了上述幾種外，還有電機械引起的擊穿以及次級效應(yīng)擊穿。

電介質(zhì)材料的擊穿過程的進(jìn)展按先后順序可分為3個階段，即潛伏期，樹枝化的擴展，崩潰性擊穿，具體見圖1-2。注入空間電荷的積累階段，沒有明顯的電樹枝生長現(xiàn)象，該階段為潛伏期，潛伏期探測不到局部放電現(xiàn)象，但是可以觀測到老化過程的電致發(fā)光現(xiàn)象;空間電荷積累到一定程度，會在材料中不斷的入陷和脫陷，此時擊穿進(jìn)入樹枝化擴展階段，也有學(xué)者認(rèn)為，擊穿過程中微小空洞形成時，熱電子撞擊引起的自由基與氧的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[l3]是樹枝化擴展發(fā)生的原因。

圖1一材料擊穿的三個階段