一種表征絕緣材料性能失效的方法

汪春昌，趙撼宇，伯德福

(安徽大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

絕緣材料是指電阻率大于109Ωcm的材料，其作用是將帶電體隔離開(kāi)來(lái)，防止短路和漏電.絕緣材料是電機(jī)、電器制造中的關(guān)鍵材料，也是最容易損壞的材料，其絕緣性能的優(yōu)劣決定了電機(jī)、電器制品能否安全運(yùn)行，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)能否進(jìn)一步提高.

按照絕緣材料的形態(tài)來(lái)分類，可以分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)絕緣材料，本文僅討論固態(tài)絕緣材料(下文所指絕緣材料，均屬此類). 決定絕緣材料絕緣性能的關(guān)鍵因素是溫度，溫度升高，常用的絕緣材料(如高分子絕緣材料)很容易被燒毀，其它絕緣材料(如陶瓷絕緣材料)由于離子導(dǎo)電性增強(qiáng)而失去絕緣性，甚至變?yōu)閷?dǎo)電體. 因此，如何提高絕緣材料的耐熱溫度，一直是科技工作者探索和研究的問(wèn)題. 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11021-89(IEC85)規(guī)定，將絕緣材料劃分為Y、A、E、B、F、H、C等7個(gè)耐熱等級(jí)，其中，C級(jí)為最高耐熱等級(jí)，要求絕緣材料在180 ℃以上高溫仍能保持絕緣性能[1].

隨著電機(jī)、電器使用條件的提高，對(duì)絕緣材料耐熱性的要求也在不斷提高. 那么，如何確定絕緣材料的耐熱等級(jí)？換而言之，如何確定絕緣材料的絕緣性能在什么溫度下失效？這一問(wèn)題是絕緣材料使用過(guò)程中首先要解決的問(wèn)題. 使用傳統(tǒng)的直流法測(cè)定電阻隨溫度的變化，由電阻率大于109Ωcm的限定來(lái)確定決絕性能維持到多高溫度. 這就存在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)：在該法確定的絕緣溫度下，已有明顯的漏電，絕緣材料顯然不能在該溫度下長(zhǎng)期使用. 所以，有必要尋找新的表征方法，找出絕緣材料失效溫度，并確定在什么溫度范圍，絕緣材料能夠長(zhǎng)期安全使用.

為此，本文提出采用交流阻抗譜法，可以方便地表征絕緣材料的失效溫度，確定絕緣材料長(zhǎng)期使用的安全溫度范圍.

1 實(shí)驗(yàn)原理

絕緣材料是典型的電介質(zhì)材料，理想的電介質(zhì)是完全的絕緣體，其內(nèi)部無(wú)自由載流子，因而在外電場(chǎng)作用下不導(dǎo)電，表征這類材料電學(xué)性能最好的方法是交流阻抗譜，因此，將所要表征的絕緣材料制作成如圖1(a)所示的平行板電容器，測(cè)量其在不同溫度下的阻抗頻率譜. 如果絕緣材料沒(méi)有漏電，上述電容器是理想電容器，其等效電路如圖1(b)所示，其阻抗為

(1)

其中，j2=-1，ω是圓頻率，C是所測(cè)得的電容值.阻抗虛部為

(2)

因此，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上，Z″-ω是一條斜率為-1的直線,如圖1(c)所示.

圖1 (a) 無(wú)漏電的電介質(zhì)電容器; (b) 等效電路; (c) Z″-ω關(guān)系曲線.

絕緣材料在高溫、強(qiáng)電場(chǎng)、高強(qiáng)度輻照等極端條件下使用，會(huì)增加其內(nèi)部的載流子濃度，從而在電場(chǎng)下產(chǎn)生微弱的電流，這種在絕緣材料內(nèi)部出現(xiàn)不期望的電流，被稱為漏導(dǎo)電流.絕緣材料開(kāi)始出現(xiàn)漏導(dǎo)電流時(shí)，被稱為絕緣性能失效.當(dāng)絕緣材料在上述極端條件下長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，其內(nèi)部的載流子濃度會(huì)顯著增加，漏導(dǎo)電流越來(lái)越大，以至于使絕緣材料喪失其絕緣性，這種現(xiàn)象稱為絕緣材料的擊穿.本論文只限于討論溫度引起的漏電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由于原本束縛的載流子，在熱效應(yīng)的作用下被激活，能夠以跳躍運(yùn)動(dòng)的方式形成電導(dǎo)，使絕緣材料出現(xiàn)漏導(dǎo)電流.用此材料做成的電容器就不再是理想電容器了，而是有漏電的電容器，如圖2(a)所示.這時(shí)，可以在圖1所示的等效電路圖中并聯(lián)一個(gè)電阻R來(lái)表征漏導(dǎo)電流，其等效電路如圖2(b)所示，其阻抗為

(3)

阻抗虛部為

(4)

其中，τ=RC，為弛豫時(shí)間.顯然，阻抗虛部在ωτ=1處呈現(xiàn)一個(gè)峰，峰值為R/2，如圖2(c)所示.由于弛豫時(shí)間隨溫度的升高而減小[2]，阻抗峰會(huì)隨測(cè)量溫度升高而向高頻方向移動(dòng).在方程(4)中，令R→∞，式(4)就變成式(2)，即理想絕緣體的情形，所以式(4)包括了式(2)，是更普適的阻抗表達(dá)式.如果絕緣材料漏導(dǎo)電流不明顯，即材料的電阻還非常大，此時(shí)，弛豫時(shí)間也較大，阻抗峰發(fā)生的頻率遠(yuǎn)低于測(cè)量頻率，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上，Z″-ω展現(xiàn)的是阻抗峰的高頻側(cè)，表現(xiàn)為低頻端開(kāi)始偏離斜率為-1的直線.所以，只要找到Z″-ω偏離直線的溫度，此溫度即是電容器出現(xiàn)漏導(dǎo)電流的溫度，也是絕緣性能失效的溫度，在此溫度以下的溫度范圍，絕緣材料是理想絕緣體，因此，是絕緣材料能夠長(zhǎng)期使用的安全溫度范圍.此外，由Z″-ω峰值可以確定不同溫度下絕緣材料的電阻值，進(jìn)而由電阻率大于109Ωcm的限定，可以確定絕緣性能的溫度上限和耐熱等級(jí).

圖2 (a) 有漏電的電介質(zhì)電容器; (b) 等效電路; (c) Z″-ω關(guān)系曲線.

2 應(yīng)用舉例

下面以兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明交流阻抗譜表征絕緣材料性能失效溫度、絕緣材料能長(zhǎng)期使用的安全溫度范圍以及能維持絕緣性能的溫度上限.所用的測(cè)量設(shè)備是穩(wěn)科6500B精密阻抗分析儀，測(cè)試時(shí)使用的交流信號(hào)振幅為100 mV，直流偏壓為0 V.

2.1 實(shí)例一：LaAlO3單晶

利用交流阻抗譜法確定LaAlO3單晶漏導(dǎo)電流出現(xiàn)溫度和該單晶材料的耐熱溫度上限.

將幾何尺寸為5 mm×3 mm×0.5 mm的LaAlO3單晶樣品(購(gòu)置于合肥科晶公司)兩邊鍍上金電極，做成平行板電容器，并測(cè)量其在不同溫度下的阻抗頻率譜. 將測(cè)得的阻抗虛部對(duì)頻率在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸中畫圖，如圖3所示. 由圖可見(jiàn)，LaAlO3單晶在200℃以下，阻抗虛部對(duì)頻率的關(guān)系是斜率為-1的直線，但超過(guò)200℃阻抗譜在低頻開(kāi)始偏離線性. 說(shuō)明LaAlO3單晶出現(xiàn)漏導(dǎo)電流的溫度為200℃，在此溫度下為理想絕緣體，該絕緣材料可以長(zhǎng)期安全使用. 另一方面，由阻抗峰可以讀出LaAlO3單晶在250℃、275℃、300℃下的電阻值，再由樣品的幾何尺寸可以算得電阻率，畫出電阻率對(duì)溫度的關(guān)系圖，如圖3插圖所示. 一般絕緣材料電阻率隨溫度變化滿足如下熱激活行為[3]：

ρ=ρ0exp(E/kBT)

(5)

其中，ρ0是指數(shù)前因子，E是激活能，kB是玻耳茲曼常量.插圖中的實(shí)線是根據(jù)公式(5)擬合的結(jié)果.根據(jù)絕緣材料電阻率大于109Ωcm的限定，可以找出LaAlO3單晶大于109Ωcm的溫度為549 K，即276℃，此溫度為L(zhǎng)aAlO3單晶耐熱溫度上限，滿足C級(jí)絕緣材料的要求.

圖3 LaAlO3單晶樣品的阻抗譜曲線，插圖是由阻抗譜導(dǎo)出的LaAlO3單晶樣品電阻率隨溫度變化圖

2.2 實(shí)例二：MgF2單晶

利用交流阻抗譜法確定MgF2單晶漏電出現(xiàn)溫度和該單晶材料的耐熱溫度上限.

將MgF2單晶(5 mm×3 mm×0.5 mm，購(gòu)置于合肥科晶公司)制作成平行板電容器，測(cè)量MgF2平行板電容器在不同溫度下的阻抗譜. 將測(cè)得的阻抗虛部對(duì)頻率畫雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，如圖4所示. 由圖可見(jiàn)，MgF2單晶在500℃以下，阻抗虛部對(duì)頻率的關(guān)系是斜率為-1的直線，但超過(guò)500℃阻抗譜在低頻開(kāi)始偏離線性，說(shuō)明MgF2單晶出現(xiàn)漏導(dǎo)電流的溫度為500℃，在此溫度下為理想絕緣體，該絕緣材料可以長(zhǎng)期安全使用. 另一方面，由阻抗峰可以讀出MgF2單晶在550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃下的電阻值，再由樣品的幾何尺寸可以算得電阻率，畫出電阻率對(duì)溫度的關(guān)系圖，并用公式(5)擬合，如圖4插圖. 根據(jù)絕緣材料電阻率大于109Ωcm的定義，可以找出MgF2單晶大于109Ωcm的溫度為892 K(即619℃)，此溫度為MgF2單晶耐熱溫度上限，滿足C級(jí)絕緣材料的要求.

圖4 MgF2單晶樣品的阻抗譜曲線，插圖是由阻抗譜導(dǎo)出的MgF2單晶樣品電阻率隨溫度變化圖

3 結(jié)論

本文提出了采用平行板電容器，用交流阻抗譜測(cè)定絕緣材料絕緣性能失效溫度和確定絕緣材料長(zhǎng)期使用的安全溫度范圍的方法.若待測(cè)絕緣材料是無(wú)漏電的理想絕緣體，則在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸下，阻抗虛部與測(cè)量頻率的關(guān)系是斜率為-1的直線；待測(cè)絕緣材料出現(xiàn)漏電時(shí)，阻抗頻率譜從低頻率先開(kāi)始偏離線性，絕緣性能失效. 由此，可以方便地表征絕緣材料性能失效溫度、絕緣材料能長(zhǎng)期使用的安全溫度范圍以及絕性能維持到的溫度上限. 本方法簡(jiǎn)單，物理圖像清晰，由此確定的絕緣材料性能參數(shù)安全可靠.