復合材料交流擊穿強度：

從實際應用的角度上考慮，電介質(zhì)的擊穿強度是一個非常重要的參數(shù)，特別是在高頻高壓場合下，絕緣材料必須具有一定的介電強度。

絕緣材料的擊穿強度遵循Weibull分布。介電強度的Weibull分布可寫為：

式中P是電失效的累積概率，E是每次實驗時的測試擊穿強度，β是形狀因子，表示擊穿強度的分散情況，E0是尺度參數(shù)，表示失效概率為63，2%時的擊穿強度，這個參數(shù)通常被用來比較不同樣品的介電強度。

P根據(jù)下述公式進行計算：

E值以升序排列，i代表E值的位次，n表示每個樣品總的測試數(shù)目。

圖1給出了納米復合材料的介電強度的Weibull分布。根據(jù)圖2，14可以看出，復合材料的介電強度與納米顆粒的濃度有很大的關系。根據(jù)圖2，14，在低顆粒濃度的情況下，納米復合材料的介電強度有很大的降低。當顆粒的濃度超過12％并逐漸增加到32％，復合材料的介電強度不再發(fā)生很大的變化，只是隨著納米顆粒的增加而慢慢降低，這說明聚乙烯納米鋁復合材料在較高的金屬含量時仍具有較高的介電強度，因此從應用的角度上具有潛在的價值。低濃度下的介電強度快速降低以及高濃度下介電強度的變化較小，說明在這些納米復合材料中可能存在兩種不同的擊穿機理。

圖1

當顆粒含量較低時，顆粒之間沒有形成團簇，而是孤立的存在于聚合物基體中，這樣，每個粒子周圍的電場會發(fā)生很強的放大，納米顆粒與聚合物基體之間可能會發(fā)生局部的擊穿。在這種情況下，由于納米顆粒的尺寸很小，盡管施加在樣品上的電場強度不是很高，但納米鋁顆粒周圍局部電場的增強足以超過聚乙烯的本征擊穿強度，從而造成納米鋁顆粒的濃度越低，復合材料的介電強度降低越快。根據(jù)我們的觀察，納米鋁含量為1％時，復合材料的失效概率為63，2％的擊穿強度由純聚乙烯的135，1kV/mm降低到103，4kV/mm。

聚合物納米復合材料的介電強度的降低速率與納米顆粒本身的性質(zhì)及尺寸有關，金屬顆粒的影響要遠遠大于電介質(zhì)顆粒的影響。

隨著納米顆粒的含量進一步增加，顆粒的團聚趨勢越來越明顯，團簇的尺寸也越來越大，這樣會造成電場的增強速率逐漸減弱，因而材料的介電強度降低的速率也越來越弱。當聚合物中的顆粒含量超過一定值后，顆粒團簇的尺寸變的很大以至于彼此互相靠近，樣品上下表面就會形成橋聯(lián)結(jié)構(gòu)。根據(jù)上面的討論，納米鋁氧化殼層的電阻率要低于聚乙烯的電阻率，橋聯(lián)結(jié)構(gòu)會造成放電。一旦上下表面中間有一條橋聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)生放電，施加到復合材料其它地方的電應力就會降低。這是復合材料在較高納米顆粒含量下仍具有較高的介電強度的原因之一。

假設不同納米團簇的體積比較接近且電極形狀是相同的，那么當納米顆粒的含量超過12％時，流經(jīng)各個橋聯(lián)通路的“短路電流"就沒有什么不同。盡管兩電極之間有放電現(xiàn)象發(fā)生，由于納米鋁顆粒本身的自鈍化性質(zhì)，復合材料在高的顆粒含量時仍保持的較好的絕緣性能。以上是復合材料在較高納米顆粒含量下仍具有較高的介電強度的另一個原因，也是復合材料在較高納米顆粒含量下具有相似擊穿強度的原因。

根據(jù)介電強度的觀點，12％也可以看作是逾滲閾值。這是因為，從材料的介電強度的角度上講，復合材料的微觀結(jié)構(gòu)在這個濃度發(fā)生了一個轉(zhuǎn)變?？梢钥闯觯@個值明顯低于直流電導測量所反映出的逾滲閾值（22，3％），這是測試電場強度的不同造成的。在介電強度的測試中，樣品所加的電場強度要高出測量直流電導時所施加場強1-2個數(shù)量級。