彈性體材料介電強(qiáng)度測(cè)試探討

周 華, 王春華

（1.瓦克化學(xué)中國(guó)有限公司, 上海 200233; 2.上海橡膠制品研究所, 上海 200052）

彈性體材料介電強(qiáng)度測(cè)試探討

周 華1, 王春華2

（1.瓦克化學(xué)中國(guó)有限公司, 上海 200233; 2.上海橡膠制品研究所, 上海 200052）

從不同彈性體的測(cè)試中總結(jié)可能出現(xiàn)的問題，參考GB及IEC標(biāo)準(zhǔn)，介紹了彈性體測(cè)試需要注意的問題，探討了標(biāo)準(zhǔn)修訂的可能性。

彈性體；介電強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)

0 前 言

彈性體材料由于其獨(dú)特的彈性、穩(wěn)定的電氣性能，以及眾多的品種，使之逐漸在各大電力電子產(chǎn)品中出現(xiàn)，如電力電纜、電力附件、接線盒以及電力電子封裝等等。在這些應(yīng)用中，材料的介電強(qiáng)度這一性能成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要參考性能，也影響著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、適用范圍以及使用壽命。這項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)異與否，決定了產(chǎn)品的應(yīng)用表現(xiàn)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

因此，材料介電強(qiáng)度的測(cè)試成為一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的參考性測(cè)試，在很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中作為重要參考指標(biāo)。但在我們實(shí)際工作中卻發(fā)現(xiàn)了問題：介電強(qiáng)度的測(cè)試很容易受各種因素的影響，從而使測(cè)試結(jié)果與產(chǎn)品的實(shí)際表現(xiàn)有偏差。

在不同配方材料的實(shí)際應(yīng)用過程中，往往發(fā)現(xiàn)介電強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)較高的材料，未必在實(shí)用中能獲得很好的應(yīng)用結(jié)果；而介電強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)較低的材料，有時(shí)卻能獲得較好的應(yīng)用結(jié)果。相同的最終產(chǎn)品，使用不同的材料，引起不同的結(jié)果，通常是生產(chǎn)工藝的不穩(wěn)定造成的，其次才是材料本身的原因。但是排除了工藝原因后，我們發(fā)現(xiàn)介電強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的不可靠性也會(huì)引起產(chǎn)品表現(xiàn)的差異。

1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

目前我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，用于測(cè)試彈性體材料介電強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 1408.1和GB/T 1695。GB/T 1408.1[1]針對(duì)的是通常意義的絕緣材料、熱固性材料、熱塑性材料。GB/T 1695[2]針對(duì)的是橡膠材料，參考了АSTM D149—97a[3]標(biāo)準(zhǔn)。但兩份標(biāo)準(zhǔn)都只作了軟質(zhì)和硬質(zhì)兩種區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，這樣的區(qū)分對(duì)于如硅橡膠彈性體這種硬度相差較大的種類，就產(chǎn)生了一些問題。

同時(shí)我們查找了權(quán)威的電力標(biāo)準(zhǔn)IEC標(biāo)準(zhǔn)。IEC 60243[4]中也沒有明確提到彈性體類產(chǎn)品。這一直是彈性體材料廠家爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

正是由于標(biāo)準(zhǔn)的不明確，為彈性體的介電強(qiáng)度檢測(cè)造成了一定的誤解和誤操作。目前IEC正在修訂IEC 60243，希望能在以后的新版本中獲得更多彈性體的測(cè)試方案。

2 材料硬度

我們認(rèn)為，材料硬度是造成測(cè)試結(jié)果不可靠的關(guān)鍵性因素。對(duì)于硅橡膠來說，從非常軟的凝膠到非常硬的固體膠，范圍非常廣。研究發(fā)現(xiàn)，邵爾А硬度大于50的硅橡膠材料，其介電強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果比較穩(wěn)定，受硬度影響小；而邵爾А硬度小于50的材料，則會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定。

在邵爾А硬度20～50范圍內(nèi)，材料在介電強(qiáng)度的測(cè)試中很容易產(chǎn)生偏差。這個(gè)硬度范圍在GB標(biāo)準(zhǔn)中通常屬于軟質(zhì)橡膠，使用1 mm試片測(cè)試。但由于材料比較軟，厚度薄，所以在實(shí)驗(yàn)前，測(cè)試厚度的精度就不容易掌握，容易產(chǎn)生偏差。在放置試片進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候也容易產(chǎn)生變形，加載電極時(shí)因?yàn)殡姌O質(zhì)量而產(chǎn)生壓扁現(xiàn)象，從而徹底影響測(cè)試結(jié)果（如圖1所示）。變形后，材料測(cè)試厚度變薄，使材料實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)偏小，不能真實(shí)反映材料的實(shí)際性能。

圖1 符合IEC 60243—1的典型電極裝置（電極質(zhì)量致使材料被壓縮）

邵爾А硬度小于20的硅橡膠基本以凝膠為主，材料硬度很低，力學(xué)強(qiáng)度低，有自粘性。這類膠應(yīng)使用GB/T 1408.1中5.1.9“充填膠球狀電極方法”測(cè)試。但由于凝膠本身具有較強(qiáng)的自粘性，這種方法在材料制樣及電極放置時(shí)，很難避免空氣夾雜和與電極的完全貼合，造成測(cè)試結(jié)果波動(dòng)范圍很大，失去了實(shí)際應(yīng)用的參考價(jià)值（見圖2）。

圖2 符合GB/T 1408.1的埋入式電極裝置（電極被測(cè)試材料所包裹）

3 電 極

電極也是影響測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性的一個(gè)因素。

目前的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)使用的是如圖3所示的典型電極裝置[4]。圓柱形電極的直徑可以有所不同。這類裝置的優(yōu)勢(shì)在于片狀樣品易于制備和加工。可惜的是，樣品界面不可避免地會(huì)產(chǎn)生預(yù)擊穿放電，引發(fā)不必要的電應(yīng)力，造成界面擊穿。這種受干擾的測(cè)量數(shù)值與材料的實(shí)際值是存在差異的。如1 mm厚的片狀有機(jī)硅彈性體樣品的介電強(qiáng)度在20～40 kV/mm之間（具體取決于不同的電極裝置），即使材料的一些明顯改性（塑化、交聯(lián)度等）也不會(huì)引起介電強(qiáng)度的劇烈變化。因此，這種測(cè)試有機(jī)硅彈性體的方法是有局限性的。

如果利用圖4（a）所示的埋入式電極測(cè)量，那么有機(jī)硅彈性體的介電強(qiáng)度會(huì)超過100 kV/mm。使用埋入式電極裝置測(cè)量，硬度等參數(shù)對(duì)介電強(qiáng)度有著明顯的影響。

由于一些彈性體（例如三元乙丙橡膠）要制備成填充樣品比較復(fù)雜，所以常常采用片狀樣品澆注的方法[圖4(b)]。

圖3 符合IEC 60243—1的典型電極裝置

圖4 避免預(yù)擊穿放電的埋入式電極裝置

大量研究表明，適當(dāng)?shù)慕?jīng)典電極裝置與合適的填充材料組合，也能夠獲得與埋入式電極所用樣品相同級(jí)別的介電強(qiáng)度，并有利于更好地研究材料改性。

多種電極選擇以及實(shí)驗(yàn)方法的不同，造成我們實(shí)際檢測(cè)中選型的困難，也加大了不同材料對(duì)比的難度。

另一方面，無論是IEC標(biāo)準(zhǔn)還是GB標(biāo)準(zhǔn)，都沒有對(duì)測(cè)試時(shí)上電極的負(fù)載做明確的說明。在實(shí)驗(yàn)過程中，將電極加載在試樣上，為了保證與試樣的緊密貼合，會(huì)人為施加一個(gè)壓力在上面，這個(gè)壓力的不確定性，增加了被測(cè)試片變形的不確定性，造成誤差。由于無明確負(fù)載說明，所以各廠家生產(chǎn)的電極也會(huì)有質(zhì)量偏差，造成進(jìn)一步的不確定性。

4 試樣表面質(zhì)量

試樣表面質(zhì)量也影響著測(cè)試結(jié)果。通常我們都會(huì)關(guān)注試樣表面的清潔程度，但也有些地方容易被忽略。

(1) 平整度：試樣表面如有凹陷或缺陷，將會(huì)影響電極貼合程度，影響測(cè)試結(jié)果。

(2) 光滑程度：現(xiàn)在有些模具經(jīng)過噴砂或特氟龍?zhí)幚?。這種模具制成的樣片，表面均有細(xì)小的波動(dòng)，通常情況下影響不大，但測(cè)試波動(dòng)有時(shí)會(huì)在0.5 kV左右。

(3) 試樣內(nèi)部缺陷：這是最容易忽略的地方，特別是使用液體硅橡膠或凝膠制樣時(shí)。由于材料黏度小，容易裹夾空氣，再內(nèi)部形成細(xì)小的氣孔。這些氣孔在外表面是很難被發(fā)現(xiàn)的，但卻會(huì)極大地影響測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié) 語

綜上所述，材料介電強(qiáng)度的測(cè)試，由于標(biāo)準(zhǔn)中方法的不足，以及對(duì)應(yīng)材料性狀的差異，容易產(chǎn)生各種測(cè)試結(jié)果的差異。在排除了人為操作失誤、設(shè)備誤差等方面的原因后，我們應(yīng)更關(guān)注于上面所提到的測(cè)試條件，以獲得穩(wěn)定可靠的性能數(shù)據(jù)。

[1] GB/T 1408.1—2006 絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第1部分：工頻下試驗(yàn)[S].

[2] GB/T 1695—2005 硫化橡膠工頻擊穿電壓強(qiáng)度和耐電壓的測(cè)定方法[S].

[3] ASTM D149 Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies[S].

[4] IEC60243—1 Electric Strength of Insulating Materials - Test Methods - Part 1： Tests at Power Frequencies[S].

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Dielectric Strength Test of Elastomer

Zhou Hua1, Wang Chunhua2
(1.Wacker Chemicals (China) Co., Ltd., Shanghai 200233, China; 2. Shanghai Institute of Rubber Products, Shanghai 200052, China)

This Paper studied potential problem of dielectric strength tests from different elastomers, referenced from GB, IEC standard, and introduced problems during test and the possibilitу of standard modifi cation.

Elastomer; Dielectric Strength; Standard

TQ330.7+3

B

1671-8232(2014)08-0048-03

2014-06-23

周華，2000年畢業(yè)于華東理工大學(xué)高分子材料專業(yè)，進(jìn)入上海橡膠制品研究所從事橡膠材料開發(fā)與研究工作。2003年開始從事有關(guān)高電壓產(chǎn)品及材料的研究開發(fā)工作，目前就職瓦克化學(xué)中國(guó)有限公司從事硅彈性體在電力產(chǎn)品中的應(yīng)用與支持工作。