復(fù)合材料的介電強(qiáng)度比較研究（擊穿電壓試驗(yàn)儀）

納米復(fù)合材料與微米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度比較研究：

圖1給出了聚乙烯微米鋁復(fù)合材料斷面的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，可以看出微米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：

（1）顆粒濃度低于8%時分散性較好，分布也比較均勻；

（2）顆粒濃度達(dá)到10%，微米顆粒開始表現(xiàn)出團(tuán)聚現(xiàn)象；

（3）微米顆粒的分布非常不均勻，尤其是當(dāng)微米顆粒的含量超過10%以后，

從復(fù)合材料斷面的掃描電鏡照片上可以很清楚地看到這一點(diǎn)；

（4）微米顆粒與聚合物間的粘結(jié)性較差，在微米顆粒聚集的地方存在著一

些較大的不規(guī)則的孔洞，這些孔洞是影響復(fù)合材料介電強(qiáng)度的重要原因之一。

根據(jù)對圖1的觀察以及前面幾章對于納米復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的討論，我們可以得出這樣一個結(jié)論：實(shí)現(xiàn)金屬顆粒在聚合物基體中的良好分散，保持顆粒與顆粒的有效隔離以及改善金屬顆粒與聚合物基體之間的粘結(jié)性是提高聚合物金屬復(fù)合材料介電強(qiáng)度的重要手段。由于聚合物金屬復(fù)合材料必須具有一定的介電強(qiáng)度才有可能用作電應(yīng)力控制材料，因此，在設(shè)法提高復(fù)合材料的介電常數(shù)的同時，必須滿足以上原則。事實(shí)上，人們已經(jīng)證明提高材料的介電強(qiáng)度與提高介電常數(shù)在很多情況下是并不矛盾的。微米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)果與直流電導(dǎo)的結(jié)果非常吻合，根據(jù)圖2，微米復(fù)合材料在顆粒濃度低于14%時，復(fù)合材料的電導(dǎo)隨著顆粒含量的增加而增大。但在16－30％的濃度范圍內(nèi)，復(fù)合材料的電導(dǎo)與顆粒含量之間并不存在一個確定的變化趨勢，而且電流始終是隨著時間的增加而減小的，這說明：

（1）在較高濃度下，顆粒分布不均勻，進(jìn)而造成顆粒之間沒有形成接觸的導(dǎo)電通路；

（2）復(fù)合材料內(nèi)部特別是顆粒與聚合物的界面之間很可能存在一些氣孔，這些氣孔影響了顆粒或顆粒簇的彼此接觸；以上這兩個原因可能導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部載流子的通道并不隨著顆粒含量的增加而增加，導(dǎo)致電導(dǎo)與顆粒濃度不存在確定的關(guān)系。

圖2

圖3給出了微米復(fù)合材料與納米復(fù)合材料的特征擊穿強(qiáng)度與顆粒濃度的關(guān)

系。可以看出，在低顆粒濃度下（>10%），兩種復(fù)合材料具有相近的特征擊穿強(qiáng)度。顆粒濃度超過10%達(dá)到14％時，微米復(fù)合材料表現(xiàn)出比納米復(fù)合材料更高的介電強(qiáng)度。顆粒濃度超過14%，微米復(fù)合材料也失去了介電強(qiáng)度。這些結(jié)果與上述復(fù)合材料電導(dǎo)的結(jié)果以及微觀形態(tài)的結(jié)果是一致的。

圖3

復(fù)合材料的介電強(qiáng)度是由材料內(nèi)部“最弱的區(qū)域"決定的，因此上述復(fù)合材料的特定擊穿強(qiáng)度說明兩種復(fù)合材料具有相似的弱區(qū)域。根據(jù)前面的討論，復(fù)合材料的介電強(qiáng)度主要由金屬顆粒的分散情況（顆粒團(tuán)簇尺寸，顆粒團(tuán)簇的形狀等）所決定。微米復(fù)合材料在高濃度時失去介電強(qiáng)度的最主要原因是顆粒的不均勻分布，這種不均勻分布一方面產(chǎn)生了大的、不規(guī)則的顆粒團(tuán)簇，另一方面也引入了氣孔等缺陷。低顆粒濃度時的兩種復(fù)合材料的強(qiáng)度相近，說明納米顆粒在低濃度時并不能在聚乙烯基體中表現(xiàn)出的分散。在2-10%的顆粒濃度區(qū)間，微米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度略高于納米復(fù)合材料這一事實(shí)說明，納米顆粒團(tuán)簇具有比微米顆粒或微米顆粒團(tuán)聚體更復(fù)雜的形狀因子。納米復(fù)合材料在顆粒濃度達(dá)到14%時失去了介電強(qiáng)度，根據(jù)前面的結(jié)果，這與納米顆粒在聚合物內(nèi)部形成了橋聯(lián)通路有關(guān)，也進(jìn)一步說明了納米顆粒團(tuán)簇具有更為復(fù)雜的形狀因子。

綜合前面的結(jié)果，假設(shè)金屬顆粒為球形，聚合物金屬復(fù)合材料的介電強(qiáng)度是由金屬顆粒的分布及分散情況決定的，與顆粒本身的尺寸沒有必然的關(guān)系。通過表面改性提高納米顆粒的分散與分布以及改善納米顆粒與聚合物基體的相容性是提高聚合物金屬復(fù)合材料介電強(qiáng)度的有效手段。