從微觀角度分析絕緣材料老化和擊穿原因--空間電荷測(cè)量裝置

          使用聲學(xué)技術(shù)的空間電荷測(cè)量已成為研究固體材料介電性能的常用方法。脈沖電聲（PEA）方法已用于各種工業(yè)應(yīng)用。例如用于離子導(dǎo)電材料的，高壓絕緣材料，材料的內(nèi)部電荷、電場(chǎng)和電勢(shì)分布的研究和分析，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電荷分布并將其轉(zhuǎn)換為空間電荷分布，用于絕緣體，靜電樹(shù)脂，有機(jī)光電導(dǎo)體，離子遷移等。典型的PEA系統(tǒng)可以以毫秒級(jí)的重復(fù)速率測(cè)量樣品厚度方向上的空間電荷分布。從微觀角度分析絕緣材料老化和擊穿原因—研制了一套基于電聲脈沖法（PEA）直接測(cè)量聚合物中空間電荷分布的試驗(yàn)裝置。

         電聲脈沖法是一種無(wú)損的空間電荷測(cè)量技術(shù)。它用于描述聚合物絕緣材料內(nèi)部的空間電荷分布、積累及其整體行為?？臻g電荷觀測(cè)正在成為評(píng)估直流絕緣應(yīng)用(尤其是高壓電纜)中的聚合物材料測(cè)試時(shí)，使用廣泛的技術(shù)。實(shí)際上，經(jīng)過(guò)充分的評(píng)估，空間電荷的存在是導(dǎo)致高壓直流聚合物電纜過(guò)早失效的主要原因，而且也是防止此類(lèi)電纜快速劣化的主要原因。而且，已經(jīng)表明可以通過(guò)空間電荷測(cè)量來(lái)診斷在使用應(yīng)力下的絕緣劣化。但是，仍然缺少由空間電荷測(cè)量并且也與絕緣體的電氣性能有關(guān)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，來(lái)幫助總結(jié)和解釋。

工作原理：

       在絕緣材料樣品的電極之間施加周期性的高壓脈沖。這種脈沖的特點(diǎn)是上升時(shí)間很快，持續(xù)時(shí)間很短。絕緣材料的試樣也要經(jīng)受高壓直流電(等級(jí)取決于試樣的厚度和形狀)，這會(huì)導(dǎo)致絕緣材料層中的空間電荷積聚。每個(gè)脈沖產(chǎn)生的電場(chǎng)擾動(dòng)絕緣材料中的內(nèi)部電荷。這些電荷在每一層都產(chǎn)生相應(yīng)的聲壓波。壓電傳感器檢測(cè)聲波，利用傳感器信號(hào)獲得空間電荷分布。為了描述空間電荷分布及其時(shí)間特性，可以對(duì)施加每個(gè)高壓脈沖后檢測(cè)到的此類(lèi)信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析。目前，絕大多數(shù)的電聲脈沖法(pulsed electro- acoustic method，PEA)空間電荷測(cè)量裝置均使用β相的聚偏氟乙烯(polyvinylidene ?uoride，PVDF)有機(jī)聚合物薄膜作為壓電傳感器。在溫度低于90℃時(shí)，PVDF才能保持其壓電性能穩(wěn)定。在70℃~90℃范圍內(nèi)，其壓電應(yīng)變常數(shù)(d33)隨溫度升高反而減小。因此，現(xiàn)有的絕大多數(shù)空間電荷測(cè)量只在70℃以?xún)?nèi)進(jìn)行。

        華測(cè)儀器選擇新型耐高溫共聚物壓電傳感器、重新設(shè)計(jì)電極系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了適用于高溫下(≤110℃)的PEA法空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，分析了溫度對(duì)壓電傳感器性能、聲信號(hào)的傳播特性和穿過(guò)介質(zhì)特性的影響，得出了對(duì)放大器輸出的電壓信號(hào)和空間電荷密度值的影響因素，進(jìn)而校正了溫度對(duì)PEA測(cè)量系統(tǒng)的影響。利用建立的高溫PEA法空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了純環(huán)氧試樣在不同溫度下空間電荷產(chǎn)生、積聚及消散的特性。