雷清泉院士电介质中的空间电荷效应.pptVIP

电介质中的 空间电荷效应 哈尔滨理工大学 雷清泉 陈庆国 谢谢大家！ 哈尔滨理工大学 2）液体介质的导电与击穿 高绝缘性能液体电导 低场（106 V/cm）离子电导：剩余离子，分子离解，电极界面交换电荷 电子电导，M—L界面电子转移 Schottky势垒高度受双电层（SC）电场调节 高场（106—107 V/cm），F—N发射，击穿 击穿过程 电子过程：电极发射—雪崩 气泡过程：电、热作用—雪崩 电极处形成双电层电场降低界面张力，低密度微气泡 Auger效应，电子与空穴宽能隙的非辐射跃迁复合，产生次级高能电子 流注形成 M — L 界面机理 电介质中的空间电荷效应 哈尔滨理工大学 图11 L-M界面能级平衡图（双电层结构） 电介质中的空间电荷效应 哈尔滨理工大学 图12 阴极上正孔/离子中和，Auger效应 电介质中的空间电荷效应 哈尔滨理工大学 图13 阳极上负离子/电子中和，Auger效应 电介质中的空间电荷效应 哈尔滨理工大学 偶电层形成机理 （类似于P-N结） 体内离子运动，可测原始短路电流 极性与可极化液体分子的取向有序 电子从或到M的转移（接触带电）形成离子态 偶电层特点与作用 有效厚度（Debye屏蔽长度）~1nm 等效电荷密度，20nC/cm2 电场107 V/cm，电极局部电场增强系数 M = 1~10 产生电极处微气泡：“冷型”，M—L界面张力下降 气泡形成时间：40ns dc，ac，脉冲，n ， Eb ； T ， 气泡，Eblaser脉冲， n ， Eb ；T ， Eb 烷烃：n -Cn H2n+2- 电介质中的空间电荷效应 3）dc预应力对脉冲击穿电场强度的影响 直流与脉冲同极性为助场，直流与脉冲反极性为反场。 哈尔滨理工大学 图14 直流预应力对聚乙烯脉冲击穿场强的影响 电介质中的空间电荷效应 4） 空间电荷击穿Eb,tb 当注入空间电荷达到临界值Qb,电荷因各种外界因素释放击穿。沿面放电（闪络）源自自持退陷电荷波，集体退陷开始，能量释放速率大于其损失速率。 条件：当 ElocEb 时，局部击穿，短路击穿，静态SC击穿，动态SC击穿，以及短路电致发光（EL）等。 哈尔滨理工大学 1）因素： 制造 气泡、分层、微裂纹、杂质； 力学 振动、碰击、弯曲、压缩、张力、疲劳、蠕变； 环境 日光、辐射、污染、湿度、酸雨、压力、真空； 热 热斑、内热、外热、热循环； 电 SC、PD、过电压、力-热、力-电等； 相互耦合（多因子）作用。 7 高聚物的破坏与老化 电介质中的空间电荷效应 低能受陷电荷、贮能，应力与应变、微孔、微裂缝、扩大低密度区、 μm级至亚μm级气泡，缺陷形成触发“高能”老化机理。例如，电子雪崩、PD、电树枝。 （1）?? 陷阱（缺陷）密度增加模型，达到临界密度Nt,c，材料击穿。 （2）? 电致发光EL，J(E)~ SCLC，QSC 确定开始电荷受陷（注入）的电场阈值均与空间电荷形成有关，称以上阈值为电老化起始电场。 哈尔滨理工大学 2）机理 电介质中的空间电荷效应 ? 哈尔滨理工大学 图15 老化与未老化试样的Qsc阈值特性 电介质中的空间电荷效应 在Crine老化模型中，依据Eyring的速率理论，将在空间电荷引起的电-机械应力超过高聚物的内聚能时所产生的亚微孔作为老化的先兆，导出了高应力下的寿命方程： (28) 式中的各参量有它一般的含义，σ为内聚能，ΔV为应力活化体积。理论计算表明，当临界应力σc达到107N/m数量级时， ΔV∽10-27m3，相当于5-20nm级尺寸的微孔，老化过程是微孔的扩大，生长。 哈尔滨理工大学 3） SC老化模型 （1） 临界应力模型 电介质中的空间电荷效应v （2）电疲劳模型 依据Eyring的速率理论，提出了空间电荷加速的热活化老化模型，即空间电荷使老化的自由能垒降低。此电热老化模型限于直流电场时，微腔或微裂纹（约10nm级）形成时间不能用于击穿时间，因为形成大孔μm(级）需要足够长的时间，其间会发生其他破坏机理。空间电荷源于电极注入、局部放电、或电场和热电离。这些电荷通常受俘获，但并不必要，它们也可以稳定存在。激光压力脉冲法证实，环氧树脂中空间电荷在2.5MV/cm强电场下约数秒达到准平衡，而脉冲电声法证实，低密度聚乙烯在0.2MV/cm电场下需数百小时。因此，电场愈低，平衡时间愈长，但是，空间电荷建立时间仍比击穿时间短几个数量级。 Zeller依据中等电场时机械老化，提出了电疲劳机理。当埋入聚乙