第二十二讲固体电介质的击穿
第二十二讲 固体电介质的击穿
1概述固体电介质的击穿：固体电介质的击穿是在电场作用下伴随着热、化学、力等作用而丧失其绝缘性能的现象。固体电介质的击穿相当复杂除了表征材料本身的特性外，还受到诸如电极形状、外界媒质、电压类型、温度、散热条件等等一系列外界因素影响。固体电介质击穿的机制：电击穿、热击穿、局部放电击穿及树枝击穿与气体电介质相比，固体电介质击穿具有以下特点：①.固体电介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高三个数量级，比液体高一个数量级：②.固体总是在气体和液体环境媒质中，对固体进行击穿实验时，击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体环境媒质中，这种现象称边缘效应。③固体介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中贯穿的孔道裂纹等不可恢复的伤痕
1 概述 固体电介质的击穿：固体电介质的击穿是在电场作用下伴随着热、 化学、力等作用而丧失其绝缘性能的现象。固体电介质的击穿相当复杂， 除了表征材料本身的特性外，还受到诸如电极形状、外界媒质、电压类 型、温度、散热条件等等一系列外界因素影响。 固体电介质击穿的机制：电击穿、热击穿、局部放电击穿及树枝击 穿。 与气体电介质相比，固体电介质击穿具有以下特点： ①.固体电介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高二个数 量级，比液体高一个数量级； ②.固体总是在气体和液体环境媒质中，对固体进行击穿实验时，击 穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体环境媒质中，这种现象称边 缘效应。 ③.固体介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中贯穿的孔道、 裂纹等不可恢复的伤痕
2电击穿1）电击穿过程电介质承受的电压超过一定数值U.时，其中有相当大的电流通过，使介质丧失绝缘性能，这个过程是电击穿。击穿场强：E=UB/d从宏观看，击穿场强月100MV/M，是相当大的：但从微观来看，月102VIA，是很低的。这说明击穿不是由于电场对原子直接作用导致的，而是一种集体现象。通常当电场接近击穿场强时，材料中的电流主要是电子型的。其击穿机制主要有：碰撞电离理论和雪崩理论
2 电击穿 1）电击穿过程 电介质承受的电压超过一定数值 UB时，其中有相当大的电流通过，使介质 丧失绝缘性能，这个过程是电击穿。 击穿场强： EB =UB d 从宏观看，击穿场强月100MV/M，是相当大的；但从微观来看，月10- 2V/Å，是很低的。这说明击穿不是由于电场对原子直接作用导致的，而是 一种集体现象。 通常当电场接近击穿场强时，材料中的电流主要是电子型的。其击穿机制主 要有：碰撞电离理论和雪崩理论
碰撞电离理论：晶体温度高于绝对零度，晶格的微小振动形成格波，格波能量量子称为声子。碰撞电离中，存在电子和声子碰撞，杂质和缺陷对自由电子的散射。若外加电场足够高，自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时，自由电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生击穿。雪崩理论：在电场足够时，自由电子从电场中获得的能量在每次碰撞后都能产生一个自由电子，n次碰撞就有个2n自由电子，形成雪崩式倍增效应。这些电子一方面向阳极迁移，一方面扩散。当雪崩式倍增效应贯穿两电极时，则发生击穿。（本征击穿强度很高，超过100MV/m，但由于外界因素、实验条件、试样状况，实际材料的击穿强度偏低）。隧道理论：当电场足够高时，由于隧道效应，使禁带电子进入导带，在电场作用下电子被加速，引起碰撞电离。这种雪崩过程不会导致经历的破坏，晶体击穿的原因在于隧道电流导致晶体局部温度过高，致使晶体局部熔融而破坏。这个机理也称为齐纳击穿
碰撞电离理论：晶体温度高于绝对零度，晶格的微小振动形成格波，格波能 量量子称为声子。碰撞电离中，存在电子和声子碰撞，杂质和缺陷对自由电子的 散射。若外加电场足够高，自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时，自 由电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生击穿。 雪崩理论：在电场足够时，自由电子从电场中获得的能量在每次碰撞后都能 产生一个自由电子，n次碰撞就有 个2 n自由电子，形成雪崩式倍增效应。这些电 子一方面向阳极迁移，一方面扩散。当雪崩式倍增效应贯穿两电极时，则发生击 穿。（本征击穿强度很高，超过 100MV/m，但由于外界因素、实验条件、试样状 况，实际材料的击穿强度偏低）。 隧道理论：当电场足够高时，由于隧道效应，使禁带电子进入导带，在电场 作用下电子被加速，引起碰撞电离。这种雪崩过程不会导致经历的破坏，晶体击 穿的原因在于隧道电流导致晶体局部温度过高，致使晶体局部熔融而破坏。这个 机理也称为齐纳击穿
2）一些因素对固体电介质击穿场强的影响(i)）.材料结构的不均匀性，在电击穿过程中往往对击穿强度产生非常显著的影响。不均匀介质中随试样厚度增加，材料的E下降。这是由于薄的试样比较均匀，底点数目少。(i).电压的波形和频率对材料的击穿强度有明显的影响。直流电压的击穿场强比交流电压作用高，随着电场频率的提高，击穿场强下降很快。这是由于直流电场下的，式样内部局部放电因空间电荷作用容易熄火，且直流场下的介电损耗比交流电场下小。脉冲电场下的击穿场强比直流下更高。这是由于脉冲电压作用时间短，局部放电造成的破坏和热效应来不及形成。工程上所指的击穿场强通常是指工频电压下的击穿强度。(i).温度的影响：陶瓷材料E值与温度的关系不大。温度升高时，击穿由电击穿过渡到热击穿，击穿场强逐渐降低。温度升高时，有些陶瓷材料的E值随温度增加而下降，有的则上升，有些还出现极大值。高聚物的击穿场强都随温度升高而降低，这可能是由于高聚物的软化引起的
2）一些因素对固体电介质击穿场强的影响 (i).材料结构的不均匀性，在电击穿过程中往往对击穿强度产生非常显著的影响。 不均匀介质中随试样厚度增加，材料 的EB下降。这是由于薄的试样比较均 匀，庇点数目少。 (ii).电压的波形和频率对材料的击穿强度有明显的影响。 直流电压的击穿场强比交流电压作用高，随着电场频率的提高，击穿场强 下降很快。这是由于直流电场下的，式样内部局部放电因空间电荷作用容易熄 灭，且直流场下的介电损耗比交流电场下小。 脉冲电场下的击穿场强比直流下更高。这是由于脉冲电压作用时间短，局 部放电造成的破坏和热效应来不及形成。工程上所指的击穿场强通常是指工频 电压下的击穿强度。 (iii).温度的影响： 陶瓷材料 EB值与温度的关系不大。温度升高时，击穿由电击穿过渡到热击 穿，击穿场强逐渐降低。温度升高时，有些陶瓷材料的 EB值随温度增加而下降， 有的则上升，有些还出现极大值。高聚物的击穿场强都随温度升高而降低，这 可能是由于高聚物的软化引起的