玻璃化溫度對環(huán)氧樹脂空間電荷分布的影響

陳少卿 彭宗仁 王 霞

（西安交通大學電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049）

1 引言

環(huán)氧材料已被廣泛作為絕緣材料應(yīng)用于高壓設(shè)備、電力電子器件和集成電路封裝[1-4]。通常環(huán)氧樹脂被作為復合材料應(yīng)用，如加入硅粉應(yīng)用于電力絕緣或者與皺紋紙復合用作高壓套管的絕緣材料等。

空間電荷效應(yīng)是電力系統(tǒng)中，特別是直流電力系統(tǒng)中引起絕緣破壞的重要因素。近年來隨著直流特高壓的發(fā)展，電力設(shè)備中的空間電荷積聚問題，越來越引起廣大學者的關(guān)注，并已取得了大量的研究結(jié)果。但對于純環(huán)氧樹脂中空間電荷積聚的研究卻少有報道。

眾所周知，當聚合物的溫度達到其玻璃化溫度Tg以上時，聚合物的電性能，如電導率、介電常數(shù)等會發(fā)生改變[5]。本文研究了純環(huán)氧試樣在玻璃化溫度以上及玻璃化溫度以下，不同電場強度下的空間電荷分布，實驗發(fā)現(xiàn)玻璃化溫度對環(huán)氧試樣的空間電荷積聚特性有重要的影響。最后還對環(huán)氧試樣表面吸附水分對空間電荷特性的影響進行了討論。

2 試驗方法

2.1 試樣制備

實驗采用E-44601純環(huán)氧樹脂，固化劑為桐油酸酐和甲基四氫苯胺復合體系，促進劑為二甲基芐胺。T=373K下，將上、下電極和環(huán)氧試樣在模具中澆注在一起，固化成型后上、下電極之間的環(huán)氧厚度為0.3mm，試樣直徑約6cm，如圖1所示。經(jīng)測量，環(huán)氧試樣的玻璃化溫度為 333K（60℃），體積電阻率為 1016～1017Ω·cm。

2.2 空間電荷測量

圖1 環(huán)氧試樣示意圖Fig.1 Sample geometry of epoxy resin

本文采用電聲脈沖（Pulsed Electroacoustic,PEA）法測量環(huán)氧試樣中空間電荷分布，測量裝置的結(jié)構(gòu)如圖 2所示。直流電源 0～30kV，脈沖寬度5ns，幅值0～1kV。壓電傳感器（PVDF）薄膜厚度為9μm。以半導電橡膠作為測量系統(tǒng)上電極，金屬鋁板作為下電極[6-7]，聲耦合劑是硅油。采用循環(huán)油加熱系統(tǒng)實現(xiàn)不同溫度下的空間電荷測量?？臻g電荷測量系統(tǒng)的分辨率取決于外加納秒脈沖電壓的半峰寬、壓電傳感器的厚度及放大器的頻率帶寬。由計算可得本實驗室的空間電荷測量裝置的測量分辨率為 10μm[8-9]。

圖2 空間電荷測試系統(tǒng)Fig.2 Setup of pulsed electro-acoustic (PEA)measurement system

實驗場強為5～30kV/mm。測量各試樣在313K（玻璃化溫度以下）及343K（玻璃化溫度以上）時加壓90min撤去電壓短路后的空間電荷分布。313K（與玻璃化溫度相差20K）的選取是為給玻璃化轉(zhuǎn)變過程留一個較大的裕度，而343K（與玻璃化溫度相差 10K）的選取是考慮到 9μmPVDF壓電傳感器的耐熱裕度。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 T=313K時的空間電荷分布

圖 3所示為T=313K，在不同電場強度下加壓90min后短路 30s時各試樣中的空間電荷分布。由圖 3可見短路后試樣內(nèi)部在正電極側(cè)出現(xiàn)正電荷峰，在負電極側(cè)出現(xiàn)負電荷峰，即T=313K時，短路后試樣中出現(xiàn)同極性電荷。并且當外加電場強度增大時，正電荷峰和負電荷峰均同時增大。根據(jù)空間電荷研究已取得的結(jié)論，同極性電荷的出現(xiàn)主要是因為在外加電場作用下由于Poole-Frenkel效應(yīng)導致電極電荷注入引起的。在溫度較高的情況下更有助于電荷向試樣注入。

圖3 T=313K加壓90min后短路30s在不同電場強度下的空間電荷分布Fig.3 T=313K, space charge distribution of short-circuit at 30s after the application of various electric fields for 90 min

圖4反映了平均電荷密度隨外加電場強度的變化情況，由圖可見試樣內(nèi)部的平均電荷密度和外加電場強度并不呈線性關(guān)系，而是存在一個場強的閾值，大約在15kV/mm。當場強大于該閾值時，根據(jù)高場電導理論，強電場施加于試樣除增大自由載流子遷移速率，還會引起大量電荷從電極的注入、載流子在試樣內(nèi)的倍增，使大量電荷入陷，從而導致平均空間電荷密度的急劇增大。

圖4 T=313K加壓90min后短路30s，不同電場強度下的平均空間電荷密度Fig.4 Variation of the mean charge density of short-circuit at 30s after the application of various electric fields for 90min as a function of the applied field (T=313K)

3.2 T=343K時的空間電荷分布

圖 5所示為T=343K，在不同電場強度下加壓90min后短路 30s時各試樣中的空間電荷分布。由圖可見在正電極附近出現(xiàn)了負電荷峰，在負電極附近出現(xiàn)了正電荷峰，即在T=343K時試樣中出現(xiàn)了異極性空間電荷。異極性電荷隨外加電場強度的增加而增大。研究表明異極性電荷的產(chǎn)生是由于反應(yīng)副產(chǎn)物、抗氧化劑等雜質(zhì)的電離引起的。與T=313K時的空間電荷分布圖相比（見圖 3），T=343K時的空間電荷量明顯較小，這可能是由于高溫下電荷運動加快，有利于復合造成的。

圖5 T=343K加壓90min后短路30s在不同電場強度下的空間電荷分布Fig.5 T=343K, space charge distribution of short-circuit at 30s after the application of various electric fields for 90 min

3.3 真空對環(huán)氧樹脂中空間電荷分布的影響

圖6所示為試樣在T=343K，經(jīng)抽真空處理96h，立即取出在E=15kV/mm場強下加壓20min后，短路30s時的空間電荷波形。由圖可見，經(jīng)過真空處理后試樣中并沒有出現(xiàn)異極性電荷積聚，而在正電極附近出現(xiàn)正電荷峰，在負電極附近出現(xiàn)負電荷峰，即試樣中出現(xiàn)了同極性電荷，并與T=313K時（見圖3）的空間電荷分布相似。

圖6 真空處理后立即測量，T=343K，E=15kV/mm加壓30min后短路30s的空間電荷分布Fig.6 T=343K, space charge distribution of short-circuit at 30s after the application of E=15kV/mm for 30min immediately after treatment under vacuum

圖 7為試樣在T=343K，抽真空 4天后，在大氣中放置 48h，然后在E=15kV/mm場強下加壓20min，短路30s時的空間電荷波形。由圖6可見，試樣中出現(xiàn)異極性電荷的積聚。比較圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過真空處理立即測量時，試樣中積聚同極性電荷，而如果經(jīng)真空處理后將試樣在大氣中放置48h再測量，試樣中積聚異極性空間電荷。這種差別說明異極性電荷的存在是由大氣中某種揮發(fā)性雜質(zhì)產(chǎn)生的，當抽真空時，可以將其去除，但如果放置在大氣中則又會重新吸附而產(chǎn)生異極性電荷。這種雜質(zhì)可能是空氣中的水分，由于環(huán)氧材料表面易于吸附空氣中的水分，而水分子在電場下又可以被電離成H+和OH-而產(chǎn)生異極性電荷。異極性電荷的成分還需要進一步的研究。

圖7 真空處理后48h測量，T=343K，E=15kV/mm加壓30min后短路30s的空間電荷分布Fig.7 T=343K, space charge distribution of short-circuit at 30s after the application of E=15kV/mm for 30min 48h after treatment in vacuum

由以上分析可以得出異極性電荷的出現(xiàn)必須具備高于Tg的溫度和大氣（大氣中的水分），在這一環(huán)氧試樣由玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，促進了異極性電荷的出現(xiàn)，這可能是由于電導的增加引起的[5]。

4 結(jié)論

本文研究了溫度、電場強度和氣體環(huán)境對純環(huán)氧樹脂試樣中空間電荷積聚的影響，實驗發(fā)現(xiàn)：

在大氣環(huán)境下，當溫度高于環(huán)氧樹脂Tg時，在一定電場強度下試樣中積聚異極性空間電荷；當溫度低于環(huán)氧樹脂Tg時，在一定電場強度下，試樣出現(xiàn)同極性空間電荷。異極性空間電荷的出現(xiàn)可能是由于環(huán)氧中的水分和高溫下環(huán)氧樹脂電導率的增加引起的。

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