聚偏二氟乙烯介質(zhì)的交/直流擊穿性能對(duì)比研究

商 行 劉淑華 陳子俊 文大禹

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

近年來，高壓絕緣材料在電力電纜、電力電容器及儲(chǔ)能器件中得到廣泛應(yīng)用。尤其是高分子聚合物電介質(zhì)作為高電壓絕緣材料，像聚偏二氟乙烯，其優(yōu)異的鐵電、壓電和絕緣特性在電能存儲(chǔ)設(shè)備中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。而在高壓直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，聚合物絕緣材料的絕緣可靠性是影響整個(gè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素[1,2]。因此，對(duì)聚合物材料的絕緣特性要求越來越高。聚偏二氟乙烯（PVDF）鐵電聚合物材料具有良好鐵電性、耐化學(xué)腐蝕性、柔性和加工性能好等特性，其制備方法多種多樣，眾多方法中溶液涂覆法最為常用而簡便，獲得的薄膜材料的質(zhì)量較高，可工業(yè)化生產(chǎn)。而該材料的絕緣強(qiáng)度直接影響其在電力儲(chǔ)能設(shè)備中充當(dāng)中間層介質(zhì)的質(zhì)量，其高壓交直流擊穿特性的研究具有工程實(shí)際意義。因此，本文采用流延法結(jié)合淬火工藝，制備了未淬火和淬火的兩種PVDF薄膜測試樣品，從而詳細(xì)地開展淬火、施加測試電壓種類和薄膜厚度等多種因子對(duì)PVDF材料的擊穿場強(qiáng)的影響，為PVDF材料在高壓設(shè)備制造領(lǐng)域中提高試驗(yàn)測試基礎(chǔ)。

一、實(shí)驗(yàn)原材料及其樣品制備

（一）實(shí)驗(yàn)原材料。PVDF(FR904)粉末采購于上海三愛富新材料科技有限公司產(chǎn)品，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和無水乙醇由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，二甲基硅油（優(yōu)級(jí)純）采購于天津市黃復(fù)精細(xì)化工研究所。

（二）主要儀器及設(shè)備。FA1004型精密電子天平，上海舜宇恒平儀器有限公司產(chǎn)品；78-1型磁力攪拌器，江蘇金壇市中大儀器廠產(chǎn)品；WGL-125B型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；MS-XB320型實(shí)驗(yàn)室涂布機(jī)，廈門茂森自動(dòng)化設(shè)備有限公司產(chǎn)品；DDJ-50KV電壓擊穿試驗(yàn)儀，北京冠測精電儀器設(shè)備有限公司。

（三）實(shí)驗(yàn)樣品制備過程。在室溫磁力攪拌狀態(tài)下，向DMF溶劑中緩慢加入一定量PVDF粉末，攪拌6h，靜置12h，獲得粘稠透明混合漿液。將上述混合漿液均勻涂覆在潔凈的玻璃板上，置于180℃烘箱10min后，迅速置于冰水混合物中浸泡，獲得淬火的PVDF塑料薄膜材料。另外，按照上述步驟，制備未高溫淬火的純PVDF塑料薄膜材料，需在80℃烘箱烘10h處理后，作為對(duì)比樣品。

二、表征與檢測方法

利用DDJ-50KV電壓擊穿試驗(yàn)儀，測試三種樣品的擊穿電壓。測試擊穿試驗(yàn)方法設(shè)置為：保護(hù)電流10～15A，升壓速度0.05kV/s～0.1kV/s，終止電壓10～15kV，判停方式設(shè)置為擊穿電流1mA～5mA。在絕緣油中進(jìn)行交流與直流擊穿試驗(yàn)，其測試裝置如圖1所示，包括高壓電源正負(fù)極、保護(hù)罩、絕緣槽、上電極、試樣、下電極和絕緣油構(gòu)成。測試之后，利用Origin軟件對(duì)擊穿數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析。

圖1 交直流擊穿測試裝置示意圖

三、結(jié)果與分析

（一）淬火PVDF的交、直流擊穿。圖2為16μm厚度的淬火的PVDF樣品的交流和直流擊穿場強(qiáng)的威布爾分布對(duì)比圖，從圖中發(fā)現(xiàn)，淬火的PVDF材料交流擊穿的電場強(qiáng)度為Eb=193.67kV/mm，對(duì)應(yīng)的擬合形狀特征因子β=25.78；而相同厚度的淬火PVDF試樣的直流擊穿電場強(qiáng)度為Eb=350.23kV/mm，對(duì)應(yīng)的形狀特征因子β=24.7。從圖中的測試結(jié)果來看，淬火中的PVDF樣品擊穿電場強(qiáng)度中，直流擊穿測試的擊穿電場強(qiáng)度最大，是交流的1.81倍，且直流和交流擊穿時(shí)淬火PVDF樣品對(duì)應(yīng)的形狀因子相接近，說明兩次測試的電壓點(diǎn)分布密集，測試結(jié)果可信度高，表明淬火的PVDF薄膜的直流擊穿場強(qiáng)明顯大于交流擊穿場強(qiáng)值。一般認(rèn)為，高聚物絕緣電介質(zhì)材料在電場下，特別是直流電場作用下容易俘獲外界注入的電荷，注入的空間電荷在介質(zhì)內(nèi)部的積累可能引起材料內(nèi)部電場的嚴(yán)重畸變。當(dāng)畸變的電場強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，可能引發(fā)材料發(fā)生電樹枝化，最終導(dǎo)致材料的擊穿[3]。所以，從上述對(duì)比可知，淬火PVDF材料的直流擊穿電場強(qiáng)度最大，說明直流電場施加下，PVDF材料不容易發(fā)生電樹枝而引發(fā)擊穿；相比之下，交變電場施加下，注入淬火的PVDF樣品內(nèi)部電子可能更多，更容易入陷聚合物種形成空間電荷而快速引發(fā)電樹枝，從而容易發(fā)生擊穿，因此交流電場下的擊穿場強(qiáng)較低，代表交流電場下，淬火的PVDF材料耐受擊穿電壓的能力較弱。

圖2 淬火PVDF薄膜的交直流擊穿場強(qiáng)的對(duì)比圖

（二）未淬火PVDF的交、直流擊穿。圖3是未淬火的PVDF試樣的交流擊穿與直流擊穿對(duì)比圖，從圖中可以看出，未淬火的PVDF材料交流擊穿的電場強(qiáng)度為Eb=116.25kV/mm，形狀特征因子β=15.18；而其直流擊穿的電場強(qiáng)度為Eb=333.22kV/mm，形狀特征因子β=17.5。很明顯，未淬火的PVDF的直流擊穿場強(qiáng)是交流擊穿場強(qiáng)的2.87倍，比圖2結(jié)果中的淬火后的倍數(shù)提高更多。這種現(xiàn)象表明，淬火后的PVDF內(nèi)部的晶型發(fā)生轉(zhuǎn)化，更趨于一種晶型，而這種晶型有助于其耐受電壓能力的提升。

圖3 未淬火PVDF薄膜的交直流擊穿場強(qiáng)的對(duì)比圖

（三）未淬火、淬火PVDF的交流擊穿。進(jìn)一步，對(duì)淬火和未淬火的PVDF材料的交流擊穿進(jìn)行測試，對(duì)比分析淬火的作用，其結(jié)果如圖4所示。淬火的16umPVDF材料交流擊穿的電場強(qiáng)度為Eb=193.67kV/mm，形狀特征因子β=25.78，而交流擊穿時(shí)未淬火PVDF材料的擊穿場強(qiáng)為Eb=116.25kV/mm，形狀特征因子β=15.18。很明顯，同樣在交流擊穿測試中，淬火后的PVDF薄膜的擊穿場強(qiáng)高于淬火前的薄膜，其交流擊穿場強(qiáng)提高了66.6%；并且，淬火后的PVDF材料的威布爾分布擬合形狀因子更大，說明測試數(shù)據(jù)更集中，數(shù)據(jù)可信度更高。

圖4 淬火前后PVDF薄膜的交流擊穿場強(qiáng)對(duì)比圖

（四）未淬火、淬火PVDF的直流擊穿。另外，對(duì)淬火和未淬火的PVDF材料的直流擊穿進(jìn)行測試，研究淬火處理對(duì)PVDF材料的交流擊穿和直流擊穿的影響程度，其測試電壓的威布爾分布結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，淬火后PVDF材料的直流擊穿場強(qiáng)為Eb=350.23kV/mm，形狀特征因子β=24.7，而未淬火的PVDF的直流擊穿場強(qiáng)為Eb=333.22kV/mm，形狀特征因子β=17.5。從圖中的測試結(jié)果來看，淬火PVDF材料的直流擊穿電場強(qiáng)度最大，是未淬火PVDF材料的1.05倍，且形狀特征因子β明顯高于未淬火PVDF材料。一般來說，β的數(shù)值越大，材料擊穿場強(qiáng)分布集中，材料的可靠性越高[4]。與圖4的分析結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，淬火后PVDF聚合物的絕緣性能特性得到了改善。淬火處理能夠提高PVDF材料的交直流擊穿場強(qiáng)特性，且對(duì)交流擊穿場強(qiáng)值提升幅度較大，而淬火后獲得的PVDF材料的直流擊穿場強(qiáng)更高。

圖5 淬火前后PVDF薄膜的直流擊穿場強(qiáng)對(duì)比圖

（五）不同厚度的淬火PVDF的直流擊穿。由上述分析可知，16μm厚度的PVDF材料的交直流擊穿場強(qiáng)特性與材料制備過程中淬火有很大關(guān)聯(lián)，淬火工藝能夠提高PVDF材料的交流和直流擊穿場強(qiáng)，源于淬火工藝能夠提高PVDF聚合物的結(jié)晶程度和促進(jìn)其穩(wěn)定晶型的轉(zhuǎn)化，從而造成材料的內(nèi)部空間電荷密度較低，材料的損耗較小，從而能夠提高其交直流條件下的耐電壓能力。

進(jìn)一步，為探索PVDF薄膜厚度因素對(duì)其擊穿場強(qiáng)的影響，對(duì)淬火后的16μm和56μm的兩種PVDF試樣進(jìn)行直流擊穿測試，其測試電壓的威布爾分布結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，16μm淬火的PVDF材料直流擊穿電場強(qiáng)度為Eb=350.23kV/mm，形狀特征因子 β=24.7；而 56μm 淬火的PVDF材料直流擊穿電場強(qiáng)度為Eb=183.34kV/mm，形狀特征因子β=73.96。從圖中的測試結(jié)果來看，16μm淬火的PVDF材料直流擊穿電場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于56μm淬火的PVDF材料，是56μm淬火的PVDF材料直流擊穿電場強(qiáng)度的1.91倍。從電場強(qiáng)度與電壓之間的關(guān)系上分析，在同樣測試電壓下，薄膜厚度越小，其材料的測試出來的擊穿場強(qiáng)越大。而從電介質(zhì)物理角度分析，聚合物材料內(nèi)部的空間電荷密度、電場畸變與厚度呈正相關(guān)，材料厚度越大，其內(nèi)部空間電荷密度越大，越容易在較低電場下發(fā)生電樹枝而快速導(dǎo)致材料擊穿，所以厚度大的材料其測試的擊穿場強(qiáng)降低；通常認(rèn)為，擊穿場強(qiáng)與厚度之間遵從反冪定律[5]。

圖6 不同厚度的PVDF薄膜的直流擊穿場強(qiáng)對(duì)比圖

四、結(jié)論

（一）PVDF薄膜材料的交/直流擊穿場強(qiáng)分別為116.25kV/mm和333.22kV/mm，其直流擊穿場強(qiáng)高于交流擊穿場強(qiáng)。

（二）高溫淬火工藝提高了PVDF薄膜材料的交/直流擊穿場強(qiáng)，且提高其交流擊穿場強(qiáng)幅度大。

（三）淬火PVDF薄膜的厚度影響其直流擊穿場強(qiáng)，薄膜的直流擊穿場強(qiáng)大于厚膜的。

（四）16μm的淬火PVDF薄膜材料具有最大直流擊穿場強(qiáng)350.23kV/mm。