1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

為了測量低溫條件下硅橡膠絕緣材料的直流擊穿電壓，采用設(shè)備ZJC-50kv直流擊穿電壓測試儀。

北京中航時代儀器設(shè)備有限公司 ZJC-50kv

1.2 試驗電極

根據(jù)電極設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了不銹鋼球——球電 極與棒——板電極。電壓電極的尺寸分別為直徑 為 20 mm 的球電極與直徑 25 mm、高 25 mm 的柱電 極；低壓電極的尺寸直徑為 20 mm 的球電極與直徑 為75 mm，高為15 mm的圓盤電極。

1.3 直流擊穿電壓測試

1.3.1 樣品預(yù)處理

由于硅橡膠材料表面容易吸附雜質(zhì)，如灰塵 等，容易污染二甲基硅油介質(zhì)使試驗結(jié)果產(chǎn)生偏 差，因此在試驗開始前需要對試樣表面進(jìn)行清潔預(yù) 處理。用無水乙醇和去離子水清理表面污穢后將 試樣置于干燥箱中，在試樣*干燥后，將其放置 于所設(shè)置的低溫環(huán)境下96 h，同樣的，需要對電極進(jìn) 行相應(yīng)的清潔預(yù)處理。

1.3.2 直流擊穿電壓測試

在試驗前，將清潔的試樣置于高低壓球球電極與棒板之間，保證試樣與電極之間的良好接觸。在 直流體擊穿試驗中，沿面閃絡(luò)會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影 響，因此將整個試驗電極平臺放置于二甲基硅油 中，以保證試驗順利進(jìn)行。將常溫和低溫測試室的 溫度分別設(shè)置為20、0、-20、-40、-60 ℃，待溫度傳感 器顯示所需硅油溫度并達(dá)到穩(wěn)定后，通過 ZD-200 直流發(fā)生器分別施加正負(fù)極性直流電壓，采用快速 均勻升壓法，設(shè)置參數(shù)從零均勻升高電壓，直到達(dá) 到擊穿的最大值，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。擊穿后 會在試樣表面留下明顯的燒灼通道，見圖 1。根據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)，測試了3 種不同的氫氧化鋁含量的硅橡膠在 低溫下的正負(fù)極性直流擊穿強(qiáng)度，利用箱線圖剔除 異常數(shù)據(jù)后取 5 次有效測試結(jié)果的均值，獲得了硅 橡膠樣品在測試溫度范圍內(nèi) DC 擊穿強(qiáng)度的變化規(guī)律，得到了有意義的結(jié)論。

2 結(jié)果與討論

按照上述試驗方案，分別測定了不同電極形式、 不同極性電壓條件下，不同Al(OH)3相對含量硅橡膠 試樣的直流擊穿電壓。為了判斷所得數(shù)據(jù)的有效 性，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制成箱線圖，若有異常值，會在 圖中顯示其符號，進(jìn)而除掉無效的數(shù)值。由球—球 電極模擬的非均勻場中具有130%Al(OH)3相對含量 的樣品的DC擊穿強(qiáng)度箱線圖的實例，見圖2、3。

由箱線圖可以看出，用于分析測試結(jié)果的數(shù)據(jù)沒有 異常值，所采集的數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)。取有效數(shù)據(jù)的平均值，繪制了直流擊穿強(qiáng)度—溫度曲線，折線圖見圖4-7。

從試驗結(jié)果可以看出，隨著溫度的降低，硅橡 膠絕緣材料的直流擊穿電壓變化明顯，呈現(xiàn)出先升 高后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在 0、-20 ℃條件下，直 流擊穿強(qiáng)度增加的幅度較大，-40、-60 ℃條件下，增 加的幅度變小。較于常溫情況，持續(xù)低溫處理后硅 橡膠試樣的直流擊穿電壓有明顯的提高，在棒-板 電極模擬的不均勻場下，Al(OH)3相對含量為 130% 的試樣在 0 ℃情況下較常溫最大升高了 15.64 kV， Al(OH)3相對含量為 110%的試樣在-60 ℃情況下較 常溫最大升高了40.18 kV。

在同一溫度條件、相同電極模擬的不均勻場 下，Al(OH)3相對含量為 130%的試樣直流擊穿電壓 值最大，相對含量為 110%次之，相對含量為 90%最 小，Al(OH)3相對含量為 130%的硅橡膠試樣曲線變 化更平緩，直流擊穿特性相對穩(wěn)定。

硅橡膠絕緣材料的交聯(lián)程度會對電離過程產(chǎn) 生影響進(jìn)而直接影響其直流擊穿特性。而隨著溫 度的降低，硅橡膠絕緣材料的結(jié)晶度增加，在結(jié)晶 區(qū)，小分子鏈段交聯(lián)成大分子鏈段，大分子鏈抑制 了自由電子的運(yùn)動，晶區(qū)分子鏈之間相互吸引又約 束了非結(jié)晶區(qū)無序部分分子鏈段之間的運(yùn)動，從而 造成自由體積減少，這就削弱了電子崩的進(jìn)程。在 宏觀上表現(xiàn)為試樣直流擊穿電壓在試驗溫度范圍 內(nèi)隨著溫度降低而升高。

在持續(xù)低溫處理下，硅橡膠材料的直流擊穿電 壓所表現(xiàn)出的變化趨勢也與分子間的致密性有關(guān)， 即與甲基乙烯基生膠分子相對于氫氧化鋁分子的 致密度有關(guān)系[12-14]。隨著溫度的降低，伴隨著結(jié)晶 度的增加，氫氧化鋁分子在材料中的分布也會由材 料表面到材料內(nèi)部逐漸致密。硅橡膠材料分子的 末端游離效應(yīng)對Al(OH)3進(jìn)行包裹，使更多的氫氧化 鋁分子擠進(jìn)甲基乙烯基生膠分子各個基團(tuán)間隙，降 低了硅橡膠材料的透氣性，使整個材料體積內(nèi)部更 為致密[15-19]，表現(xiàn)出明顯的直流擊穿特性變化，因而 試驗測定的直流擊穿電壓均值有變大的趨勢，并且 升高幅度相對較大。當(dāng)這種致密度的變化達(dá)到飽和時，硅橡膠材料的直流擊穿特性變化程度也會相應(yīng)減弱，宏觀表現(xiàn)出直流擊穿電壓值的升高幅度較小。

為了進(jìn)一步驗證試驗結(jié)果，測量得到了試驗溫 度范圍內(nèi)試樣的體積電阻率，結(jié)果見圖 8。由于數(shù) 量級很大(1016Ω/cm)，體積電阻率增加會對硅橡膠材 料的直流擊穿電壓升高有很大影響。由于結(jié)晶度 增加以及分子致密性增強(qiáng)會使體積電阻率增加，二 者在硅橡膠絕緣材料的直流擊穿電壓升高過程中 有著主要的影響。

此外，填料的組成和含量也會影響硅橡膠材料 的直流擊穿特性，有關(guān)研究指出，氫氧化鋁相對填 充量為 125份左右時，硅橡膠電氣性能最佳，這也與 本次試驗結(jié)果相一致。

在施加較高的直流電壓時，電極會發(fā)射電子到 電介質(zhì)中，為電子崩過程提供有效電子。在外電場作用下，電子逸出電極需要克服一定的勢壘， 也就是說需要一定的能量。在低溫環(huán)境下，電極的 電子發(fā)射主要受到所施加的電壓及金屬逸出功的影晌。隨著溫度的降低，電子逸出電極表面需要較 高的能量，即需要較高的電場強(qiáng)度作用，因此硅橡膠絕緣材料的直流擊穿電壓升高。