电介质的耐电性及其表示方式

在高电场中，通过高聚物的电流随电场呈非线性增加，当电场继续升高时，电流剧增，这时高聚物由绝缘状态转变为非绝缘状态，这种现象称为绝缘击穿。击穿是不可逆的物理过程。

绝缘击穿决定材料使用的最终性能，在实际应用中至关重要。从现象上看，击穿与作为击穿的先导过程——高电场的电导有密切关系。

电介质抵抗电击穿的能力称为耐电性。耐电性以击穿电压和耐电强度来表示。导致绝缘击穿的最低电压称为击穿电压U_b。电介质单位厚度上所承受的击穿电压称为耐电强度E_b，也称击穿强度、介电强度。因此，耐电强度是电介质耐受电压作用而维持绝缘性能的能力。

式中 d——绝缘体的厚度。

1.击穿类型

高聚物击穿时，可能有多种形式，按其形成的机理，大致可分为电击穿、热击穿、电机械击穿、电化学击穿等形式。

1）热击穿

在强电场作用下高聚物偶极取向时，为克服介质黏滞阻力所损耗的能量以热的形式耗散。如果高聚物材料传导热量的速度不足以及时将介质损耗的能量散发出去，高聚物内部的温度就逐渐升高。随着温度升高，电导率迅速增加，介质损耗也更快增加（介质损耗在高温下与温度是指数关系），从而放出更多的热量，使温度进一步升高。如此循环的结果导致高聚物氧化、熔化和焦化，以致击穿。显然，热击穿最易发生在散热最不好的地方。

热击穿时的耐电强度E_b不仅与高聚物的化学和物理结构有关，而且与外加电场的频率、试样形状、环境温度和散热条件等因素有关。显然，外加电场频率增加、环境温度升高、热击穿耐电强度下降。试样厚度增加、散热条件恶化、热击穿强度下降。

在电场E中，电介质中产生的热量除一部分散失掉外，其余的热量使介质温度升高。此时，电介质的热平衡的基本方程式为

式中 c_V——电介质的比热容；

∂T/∂t——温度T对时间t的偏导；

γ_V——电能损耗系数，单位与体积电导率相同，与温度有关，在高电场下还与电场强度有关；

k——传热系数，与温度有关，在高电场下还与电场强度有关。

因此，要解这个方程式很难，所以我们只讨论以下两种特殊的情况。

①稳态热击穿：

电场作用时间极长，介质内温度变化极慢，这时∂T/∂t=0故：

-diV（kgradT）=γ_VE²

对应热击穿场强E_m，相当于t→∞时，击穿场强E_m，这是最低的热击穿场强。一般就把它作为热击穿场强。

②脉冲热击穿：

电压作用时间很短，散热来不及进行，gradT=0，故：

设电介质在加上电场E_b时，最高温度达到T_m时发生击穿，则

显然，热击穿易发生于散热最难的地方。概括来说，热击穿有下列特点：

ⅰ）热击穿通常发生在高温区域；

ⅱ）击穿电压随环境温度升高而迅速下降；

ⅲ）热击穿的耐电强度与所加电压的波形、频率、加压时间、升压速度有关；

ⅳ）热击穿与媒质的电性能无关；

ⅴ）试样厚度增加，由于散热条件变坏，击穿场强降低。

图5-39 热击穿稳态条件示意图

a—不击穿 b—t→∞时发生热击穿 c—在有限时间内热击穿 d—脉冲热击穿

2）电击穿

高聚物中总有载流子的存在。在弱电场中，载流子从电场中得到的能量在与周围的其他载流子、分子、原子的碰撞中大部分损耗了，然后再从电场获得到能量，再开始运动，因此高聚物有稳定的电导。但当电场强度达到某一临界值（对不同的高聚物，其值不同），载流子从外加电场获得足够的能量，它们与高分子碰撞，使高分子链发生电离，可以激发出新的电子或离子，这些新生的载流子又再碰撞高分子，而产生更多的载流子，这一过程反复进行，载流子雪崩似的产生，以致电流急剧上升，最终导致高聚物材料击穿，这种击穿称为电击穿。高聚物中的杂质，在高电场作用下，也会电离成离子，并撞击高分子，发生类似现象。

均匀电场中电击穿场强，反映了高聚物耐电场作用的最大能力，它仅与高聚物的化学组成及性质有关，是材料的特征参数之一，即通常称之的耐电强度或电气强度。

与热击穿不同，电击穿通常发生在温度较低条件，而且电压作用时间也较短。它受环境温度影响较少，不像热击穿会受到电压种类、频率、绝缘结构、散热条件等的影响。

关于电击穿理论，以希波尔和弗罗利赫为代表。其基本思想是，在强电场作用下，固体导带中可能因场致发射和热发射，而存在一些导电电子，这些电子在外电场作用下被加速获得动能，同时在其运动中又与晶格振动相互作用而激发晶格振动，把电场能量传递给晶格，当这两个过程在一定的场强下平衡时，电介质有稳定电导。当电子从电场中获得到的能量大于损失给晶格振动的能量时，电子的动能越来越大，到电子能量大到一定值后，电子与晶格振动的相互作用便导致电离产生新的电子，自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，击穿开始发生。

根据击穿发生的判定条件不同，电击穿理论分为两大类：本征电击穿理论和电子崩击穿理论。按是否考虑电子间作用又分为单电子近似（忽略导电电子间作用，低温条件适用）和集合电子近似（考虑导电电子间作用，高温条件适用）。

①本征电击穿理论：

本征电击穿理论以碰撞电离作为击穿的判据，又分为希波尔低能击穿判据E_bh和弗罗利赫高能击穿判据E_bf。

希波尔低能击穿判据是由电场开始加速电子较少、能量较低的低能电子引起的，显然这一电场几乎能加速所有的电子，所以希波尔击穿判据是充分的，并非必要的，所得击穿强度E_bh要高。

弗罗利赫认为击穿是由电场开始加速电子较少，能量接近电离能的高能电子引起的，而能量接近电离能的电子几率未必足够大，因此弗罗利赫的击穿判据是必要的，但不充分，所得的击穿场强E_bf要低。故E_bf<E_bh。

②电子崩击穿理论：

电子崩击穿理论以碰撞电离后，电子数倍增加到一定数值，足以破坏介质结构作为击穿判据，又分为场致发射击穿和碰撞电离雪崩击穿。

场致发射击穿（齐纳击穿）：由于量子力学隧道效应，从价带到导带场致发射电子，引起电子崩。晶体结构破坏，击穿发生。

碰撞电离雪崩击穿（电子崩击穿）：导电中电子被外施电场加速到足够的动能后，发生碰撞电离。这一过程，在电场作用下，接连不断由阴极向阳极发展，形成电子崩，当这一区域达到某一临界值时，晶体结构破坏，击穿发生。

总之，电击穿易发生在电场集中处或较强处。在非均匀电场下，击穿点往往发生在边沿处，击穿只留下小小的斑点，一般还有辐射性的裂痕。其击穿特点如下：

ⅰ）电击穿与温度关系不大；

ⅱ）通常发生在低温区域；

ⅲ）与所加电压的时间、波形、材料本身的介质损耗对击穿场强影响不大；

ⅲ）与周围媒质的电性能有关。因为媒质直接影响电场边缘处的电场分布，电击穿与电场分布有关。

3）电化学击穿

电化学击穿是高聚物电介质在高压下长期作用后出现的。高电压的作用能在高聚物表面或缺陷、小孔处引起局部的空气碰撞电离，从而生成臭氧或氮的氧化物等，这些化合物都能使高聚物老化，引起电导的增加，直至击穿发生。

在高电压作用下，高聚物表面或内部缺陷小孔、气泡中的气体，因其介电强度（～3MV/m）比高聚物的介电强度（>20MV/m）低得多，首先发生击穿放电。放电时被电场加速的电子和离子轰击高聚物表面，可以直接破坏高分子结构，放电产生的热量也可能引起高分子的热降解，放电生成的臭氧和氮的氧化物将使高聚物氧化老化。特别是当高压电场是交变电场时，这种放电过程的频率成倍地随电场频率而增加，反复放电使高聚物所受的侵蚀不断加深，最后导致材料击穿。这种击穿造成的击穿通道的特征呈树枝状，又称树枝击穿。

4）电机械击穿

所谓电机械击穿，就是当电压升高，材料的厚度因电应力（麦克斯威尔力）的机械压缩作用而减少，致使高聚物绝缘电介质遭受机械破坏的过程。图5-40所示为电-机械击穿示意图。(www.xing528.com)

图5-40 电-机械击穿示意图

通常，电极间的应力只能使试样受到一些压缩，其压力与高聚物产生抗力处于平衡状态。但当电压升高到一定程度使电应力达到一定值时，平衡状态被破坏，并因此发生电机械击穿，这时加在高聚物上的极限电压就是击穿电压。

设外加电压为U，高聚物电介质的介电常数ε，d₀为高聚物的初始厚度，d为压缩后的厚度，Y为杨式模量。这时：

电应力：

形变产生的应力：

平衡时两力相等：

对上式对d求导再令其等于0，可求得最大的U_b，可得击穿场强：

由于杨氏模量y随温度上升而下降，所以E_b也随温度上升而下降。所以，对高聚物介质，当温度处于较高及特别是接近软化点时，此时杨氏模量Y很小，最易发生电机械击穿。而当高聚物电介质处于一般温度时，因其较紧实，弹性模量较大，其他形式的击穿可能先于电机械击穿发生。

应当指出，高聚物的实际击穿，通常不是一种机理，可能是多种机理综合作用的结果。

2.影响耐电性的因素

高聚物的击穿过程是一个很复杂的过程。它受高聚物材料的缺陷、杂质、成型加工的历史，以及试样的几何形状、环境条件、测试条件等多种因素的影响。

1）高聚物的化学和物理结构

由于高聚物击穿是一个很复杂过程，还存在许多未知因素，因此击穿与聚合物结构之间的关系至今还知道甚少。一般认为聚合物极性越大，可增加处于玻璃态高聚物的击穿场强。

例如在-195℃，聚乙烯的击穿场强为680kV/mm，聚甲基丙烯酸甲酯的击穿强度为1340kV/mm。如图5-41中，聚乙烯在不同物理状态其击穿场强明显不同。

图5-41 聚乙烯在玻璃化转化区域的E_b值

1—低密度聚乙烯的脉冲击穿场强 2—高密度聚乙烯的脉冲击穿场强 3—低密度聚乙烯的直流击穿场强 4—高密度聚乙烯的直流击穿场强

此外，高聚物的分子量、交联度、结晶度的增加也可增加击穿场强。但高聚物内部存在缺陷会随缺陷的增大而击穿场强明显下降。

高聚物中有目的加入的配合剂和杂质也影响高聚物的耐电性。一般来说，高聚物中加入增塑剂或吸潮（内增塑），会使E_b降低。固体填料，有些使耐电性提高，如在PVC树脂中加入煅烧陶土，在30份以下时，随填料加入量的增多，E_b值因配方不同，可分别增加23%～26%。但一些带有导电性填料如聚乙烯中即使加入不到1份的微粒石英粉，也会使聚乙烯的击穿场强下降18%。一般来讲加入固体填料，对力学性能影响较大，对耐电强度影响不大，除非是导电性的填料。

2）温度的影响

一般来说，当高聚物处于较低温度时，击穿的主要形式是电击穿。随温度的升高，尽管电子的浓度增加，但是电子受到的散射作用加强，电子不易积聚能量，所以随温度的升高，击穿强度增加，即∂E_b/∂T＞0。极性高聚物由于结构紧密，对电子的散射作用强，其击穿强度反而高于非极性高聚物。

当高聚物处于较高温度时，导电电子增加，电子间作用加强，使电击穿电压下降，同时其他形式的击穿如热击穿作用等也会凸现，温度越高，散热条件越差，热击穿电压就越低。因此，随温度的升高，击穿强度下降，即∂E_b/∂T<0。当温度高于高聚物黏流温度T_f时，击穿强度随温度的升高，迅速下降，这时击穿机理主要是热击穿和电-机械击穿，如图5-42～图5-44所示。

3）电压作用时间

若外加电压作用时间很短（如0.1s以下）高聚物介质就被击穿，则这种击穿很可能是电击穿。如果电压作用时间较长，（几分钟到数十小时）才引起击穿，则热击穿往往是重要因素，有时两者很难分清。例如交流1min耐压试验中的试品击穿，则常常是电和热的双重作用。电压作用时间长达几十小时或几年才击穿，则大多属于电化学击穿。

图5-42 高聚物的结构与击穿

图5-43 几种高聚物的E_b与温度的关系

图5-44 几种高聚物的E_b与温度的关系

随着加压时间延长，击穿场强降低。常用固体介质的工频电气强度与加压时间的关系如图5-45所示。

图5-45 几种固体介质的工频电气强度与加压时间的关系

1—聚乙烯 2—聚四氟乙烯 3—黄蜡布 4—硅有机玻璃云母带

这种特性通常是由于局部放电引起的。如果施加电压到击穿为止所经历时间为L，称耐电寿命，则L与外施电压U的关系可用下式为

式中 n——电压老化系数；

k——常数。

4）电压的种类

同一电介质（高聚物），在交流、直流或冲击电压下击穿电压往往不相同，E_b有较复杂的变化，如图5-46所示。一般冲击击穿电压、直流击穿电压大于工频击穿电压。电频率越高、介损更大、局放更严重，致使介质更容易发生热击穿；或者由于局部放电引起的化学变化、发热等，损伤绝缘使绝缘老化加速从而导致电化学击穿提前到来。

图5-46 各种电压波形和击穿场强

5）厚度

均匀致密的高聚物处于均匀电场中，其击穿电压往往较高，而且与介质厚度增加近似成直线关系。如在不均匀电场中，则随介质厚度增加，击穿电压已不随厚度增加而直线上升。当厚度增加散热困难到可能出现热击穿时，增加厚度意义更小。

常用的固体高聚物介质往往不很均匀致密，即使处于均匀电场中，由于气孔或其他缺陷将使电场畸变，最高场强常集中在缺陷处，如气体先产生局部放电，也会逐渐损害到固体介质。电缆绝缘纸经过干燥、浸油等工艺过程，让绝缘油充满纸绝缘气隙，使耐电强度显著提高。

对不同结构的高聚物，与厚度的关系更为复杂。而交流下的E_b值随厚度的增加而下降，其原因是交流下介质损耗较多，发热增大的缘故，如图5-47、图5-48所示。

图5-4 720℃50Hz聚乙烯的E_b与厚度的关系

图5-48 脉冲电压下塑料的E_b与厚度的关系

聚氯乙烯在直流、交流、脉冲电压下的E_b均随厚度增加而下降。当厚度为1.5mm时，E_b下降特别显著。聚氯乙烯在交流和直流下E_b与厚度d（0.25～1mm）有下列近似关系：

E_b=Ad^-0.4

式中 A——常数。

在均匀电场中，橡皮的E_b与厚度无关，而在不均匀的电场下，E_b随厚度增加而降低。

实际上，大多数的高聚物的耐电强度在15～20kV/mm之间。总的来说，要使高聚物的击穿强度高，最重要的条件是结构紧密、高度均匀、没有杂质和气泡。结构紧密主要取决于高聚物的分子结构，而高聚物均匀性及没有杂质和气泡则取决于加工的情况。