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固體介電擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀擊穿理論概述
固體介電擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀擊穿理論概述：
固體電介質(zhì)根據(jù)電介質(zhì)被擊穿時(shí)間不同，將擊穿分為長時(shí)擊穿和短時(shí)擊穿；短時(shí)擊穿中，根據(jù)擊穿機(jī)理不同，又可分為電子擊穿、熱擊穿、局部放電擊穿、電機(jī)械擊穿和次級(jí)效應(yīng)擊穿。
相對(duì)于傳統(tǒng)電介質(zhì)，聚合物的介電性質(zhì)與其組成分子大小、分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)表明：提高材料的宏觀均勻性和微觀不完整性，它的擊穿場(chǎng)強(qiáng)會(huì)增大。例如聚合物材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般比晶體材料大，極性電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)的突增，二者的原理不同。電擊穿是由于電子在外電場(chǎng)的作用下被加速，電導(dǎo)增加。實(shí)際上任何現(xiàn)實(shí)中的電介質(zhì)都不是絕對(duì)絕緣的，在電介質(zhì)內(nèi)部存在一定數(shù)量的載流子，具有一定的電導(dǎo) 。施加一個(gè)外電場(chǎng)后，會(huì)有一定的電流經(jīng)過電介質(zhì)，從而產(chǎn)生一定的焦耳熱；若電介質(zhì)處于交變電場(chǎng)下，還會(huì)出現(xiàn)與極化弛豫過程相關(guān)的介電損耗，它們以熱能的形式散發(fā)。熱擊穿是施加電場(chǎng)后電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的熱使介質(zhì)材料溫度升高，導(dǎo)致電導(dǎo)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(dāng)電流通過絕緣體時(shí)焦耳熱是怎樣被平衡的。熱能有兩個(gè)去處，一個(gè)是周圍環(huán)境溫度的升高，另一個(gè)是介質(zhì)材料溫度的增加。
(1) 電壓較低時(shí)，散熱速率大于放熱速率，介質(zhì)溫度不會(huì)發(fā)生明顯變化，不會(huì)破壞電介質(zhì)的絕緣性；
(2) 在某一電壓時(shí)，散熱速率等于放熱速率，已然沒有多余的熱量作用于介質(zhì)本身，此時(shí)電介質(zhì)絕緣性良好；
(3) 當(dāng)電壓增加到某一臨界電壓 Uc 時(shí)，散熱速率小于放熱速率，介質(zhì)從散熱量和放熱量相補(bǔ)償?shù)钠胶鈶B(tài)轉(zhuǎn)為非平衡態(tài)，此時(shí)未被平衡掉的熱量使得介質(zhì)溫度升高，引發(fā)電介質(zhì)內(nèi)部電導(dǎo)增加，在介電材料內(nèi)部存在一個(gè)溫度和電導(dǎo)的正反饋，在某一時(shí)刻，引發(fā)介質(zhì)熱擊穿，電介質(zhì)*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(shí)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(dǎo)系數(shù)，T 是樣品溫度， E 是施加電場(chǎng)，?是電導(dǎo)率。公式(2-10)中左邊第一項(xiàng)代表材料吸收的熱量，第二項(xiàng)代表散發(fā)到周圍環(huán)境的熱量，這兩項(xiàng)正是之前所提到的兩個(gè)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(shí)驗(yàn)和理論研究得出擊穿場(chǎng)強(qiáng)的定性結(jié)論，主要特點(diǎn)如下：
(1) 高溫區(qū)易發(fā)生熱擊穿，熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)；
(2) 介電質(zhì)越厚，擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般越高，但是厚度大的電介質(zhì)散熱差，所以熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)不隨介質(zhì)厚度成正比增加；
(3) 直流電壓比交流電壓下測(cè)試的BE 大，因?yàn)闃O化弛豫過程引發(fā)的介電損耗增加了介質(zhì)的溫度。因此，當(dāng)電壓頻率升高時(shí)，BE 降低；
(4) 熱擊穿場(chǎng)強(qiáng)與樣品耐熱性能和散熱條件等外界因素有關(guān)，受外界影響較大。
電擊穿：
當(dāng)固體電介質(zhì)的電導(dǎo)? 或介質(zhì)損耗 tan? 很小，又有良好的散熱條件時(shí)，介質(zhì)通常不會(huì)發(fā)生熱擊穿。在低溫區(qū)，聚合物擊穿場(chǎng)強(qiáng)與高溫區(qū)有所不同，顯示與溫度無關(guān)或正溫度依賴性，這表明在低溫區(qū)有其他擊穿機(jī)制存在。事實(shí)上，起作用的正是電擊穿。
電擊穿是由于電介質(zhì)中存在著少量處于導(dǎo)帶能量狀態(tài)的電子，它們?cè)谕饧与妶?chǎng)的作用下與晶格結(jié)點(diǎn)上的原子發(fā)生碰撞，使得晶格結(jié)點(diǎn)上原子電離產(chǎn)生電子崩，當(dāng)電子崩發(fā)展到足夠強(qiáng)時(shí)，引發(fā)電介質(zhì)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(lǐng)域的先驅(qū)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(zhǔn)則內(nèi)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(chǎng)下電荷載
體的運(yùn)動(dòng)，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(zhuǎn)移到晶格里的。
實(shí)質(zhì)上大約在本世紀(jì) 30 年代，以 Von Hippel 和 Froholich 為代表，在固體物理基礎(chǔ)上，以量子力學(xué)為工具，逐步建立了固體電介質(zhì)電擊穿的碰撞理論，固體電介質(zhì)的電擊穿理論是在氣體放電的碰撞電離理論基礎(chǔ)上建立起來的。這一理論可簡(jiǎn)述如下：在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，因冷發(fā)射或者熱發(fā)射的作用在固體電介質(zhì)中存在一些原始自由電子。一方面這些電子在外電場(chǎng)作用下被加速，獲得動(dòng)能；另一方面與晶格振動(dòng)相互作用，把電場(chǎng)能量傳遞給晶格。當(dāng)這兩個(gè)過程在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)下達(dá)到互相平衡時(shí)，固體介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電導(dǎo)；當(dāng)電子從電場(chǎng)中得到的能量大于傳遞給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能會(huì)變得越來越大，至電子能量大到某一臨界值時(shí)，電子與晶格振動(dòng)相互作用導(dǎo)致其電離產(chǎn)生新電子，使得自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。 電介質(zhì)電擊穿的實(shí)驗(yàn)規(guī)律有以下幾個(gè)方面：
(1) 在室溫或低溫時(shí)出現(xiàn)；
(2) 材料的BE 與樣品的尺寸、外貌無關(guān)，它是材料的本性特性參數(shù)；
(3) BE 值與外壓波形無關(guān)，因電擊穿在很短的時(shí)間內(nèi)完成，作用時(shí)間<10-6s；
(4) BE 是樣品厚度 d 的緩變函數(shù)，但當(dāng) d 很小時(shí)BE 的變化較快， d <10-6m 時(shí)BE 隨 d 的下降快速增加，成為薄層強(qiáng)化效應(yīng)；
(5) 介質(zhì)內(nèi)部擊穿經(jīng)常按一定的方向進(jìn)行。
在研究電擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，為能求得真實(shí)電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)，保證材料足夠的散熱避免熱擊穿發(fā)生，縮短電壓作用時(shí)間，并且要盡量在電介質(zhì)內(nèi)部建立足夠均勻的電場(chǎng)，只有同時(shí)滿足以上條件時(shí)，才能獲得比較純粹的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)。在研究電介質(zhì)的電擊穿規(guī)律是，需要注意以下幾個(gè)方面：
(1) 電介質(zhì)厚度不能太厚，否則造成電極邊緣電場(chǎng)分布不均勻；
(2) 電極的形狀要上下對(duì)稱；
(3) 電極與被測(cè)材料間接觸緊密，避免在電極和固體電介質(zhì)的空隙發(fā)生電離；
(4) 測(cè)試時(shí)將樣品放在液體介電煤質(zhì)中，消除表面靜電作用。
