聚偏二氟乙烯介质的交/直流击穿性能对比研究

2022-12-15刘淑华陈子俊文大禹

绥化学院学报 2022年11期

商行刘淑华陈子俊文大禹

（绥化学院电气工程学院黑龙江绥化 152061）

近年来，高压绝缘材料在电力电缆、电力电容器及储能器件中得到广泛应用。尤其是高分子聚合物电介质作为高电压绝缘材料，像聚偏二氟乙烯，其优异的铁电、压电和绝缘特性在电能存储设备中具有潜在的应用价值。而在高压直流输电系统中的关键环节，聚合物绝缘材料的绝缘可靠性是影响整个电力系统安全运行的重要因素[1,2]。因此，对聚合物材料的绝缘特性要求越来越高。聚偏二氟乙烯（PVDF）铁电聚合物材料具有良好铁电性、耐化学腐蚀性、柔性和加工性能好等特性，其制备方法多种多样，众多方法中溶液涂覆法最为常用而简便，获得的薄膜材料的质量较高，可工业化生产。而该材料的绝缘强度直接影响其在电力储能设备中充当中间层介质的质量，其高压交直流击穿特性的研究具有工程实际意义。因此，本文采用流延法结合淬火工艺，制备了未淬火和淬火的两种PVDF薄膜测试样品，从而详细地开展淬火、施加测试电压种类和薄膜厚度等多种因子对PVDF材料的击穿场强的影响，为PVDF材料在高压设备制造领域中提高试验测试基础。

一、实验原材料及其样品制备

（一）实验原材料。PVDF(FR904)粉末采购于上海三爱富新材料科技有限公司产品，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和无水乙醇由国药集团化学试剂有限公司提供，二甲基硅油（优级纯）采购于天津市黄复精细化工研究所。

（二）主要仪器及设备。FA1004型精密电子天平，上海舜宇恒平仪器有限公司产品；78-1型磁力搅拌器，江苏金坛市中大仪器厂产品；WGL-125B型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；MS-XB320型实验室涂布机，厦门茂森自动化设备有限公司产品；DDJ-50KV电压击穿试验仪，北京冠测精电仪器设备有限公司。

（三）实验样品制备过程。在室温磁力搅拌状态下，向DMF溶剂中缓慢加入一定量PVDF粉末，搅拌6h，静置12h，获得粘稠透明混合浆液。将上述混合浆液均匀涂覆在洁净的玻璃板上，置于180℃烘箱10min后，迅速置于冰水混合物中浸泡，获得淬火的PVDF塑料薄膜材料。另外，按照上述步骤，制备未高温淬火的纯PVDF塑料薄膜材料，需在80℃烘箱烘10h处理后，作为对比样品。

二、表征与检测方法

利用DDJ-50KV电压击穿试验仪，测试三种样品的击穿电压。测试击穿试验方法设置为：保护电流10～15A，升压速度0.05kV/s～0.1kV/s，终止电压10～15kV，判停方式设置为击穿电流1mA～5mA。在绝缘油中进行交流与直流击穿试验，其测试装置如图1所示，包括高压电源正负极、保护罩、绝缘槽、上电极、试样、下电极和绝缘油构成。测试之后，利用Origin软件对击穿数据进行整理与分析。

图1 交直流击穿测试装置示意图

三、结果与分析

（一）淬火PVDF的交、直流击穿。图2为16μm厚度的淬火的PVDF样品的交流和直流击穿场强的威布尔分布对比图，从图中发现，淬火的PVDF材料交流击穿的电场强度为Eb=193.67kV/mm，对应的拟合形状特征因子β=25.78；而相同厚度的淬火PVDF试样的直流击穿电场强度为Eb=350.23kV/mm，对应的形状特征因子β=24.7。从图中的测试结果来看，淬火中的PVDF样品击穿电场强度中，直流击穿测试的击穿电场强度最大，是交流的1.81倍，且直流和交流击穿时淬火PVDF样品对应的形状因子相接近，说明两次测试的电压点分布密集，测试结果可信度高，表明淬火的PVDF薄膜的直流击穿场强明显大于交流击穿场强值。一般认为，高聚物绝缘电介质材料在电场下，特别是直流电场作用下容易俘获外界注入的电荷，注入的空间电荷在介质内部的积累可能引起材料内部电场的严重畸变。当畸变的电场强度达到一定值时，可能引发材料发生电树枝化，最终导致材料的击穿[3]。所以，从上述对比可知，淬火PVDF材料的直流击穿电场强度最大，说明直流电场施加下，PVDF材料不容易发生电树枝而引发击穿；相比之下，交变电场施加下，注入淬火的PVDF样品内部电子可能更多，更容易入陷聚合物种形成空间电荷而快速引发电树枝，从而容易发生击穿，因此交流电场下的击穿场强较低，代表交流电场下，淬火的PVDF材料耐受击穿电压的能力较弱。

图2 淬火PVDF薄膜的交直流击穿场强的对比图

（二）未淬火PVDF的交、直流击穿。图3是未淬火的PVDF试样的交流击穿与直流击穿对比图，从图中可以看出，未淬火的PVDF材料交流击穿的电场强度为Eb=116.25kV/mm，形状特征因子β=15.18；而其直流击穿的电场强度为Eb=333.22kV/mm，形状特征因子β=17.5。很明显，未淬火的PVDF的直流击穿场强是交流击穿场强的2.87倍，比图2结果中的淬火后的倍数提高更多。这种现象表明，淬火后的PVDF内部的晶型发生转化，更趋于一种晶型，而这种晶型有助于其耐受电压能力的提升。

图3 未淬火PVDF薄膜的交直流击穿场强的对比图

（三）未淬火、淬火PVDF的交流击穿。进一步，对淬火和未淬火的PVDF材料的交流击穿进行测试，对比分析淬火的作用，其结果如图4所示。淬火的16umPVDF材料交流击穿的电场强度为Eb=193.67kV/mm，形状特征因子β=25.78，而交流击穿时未淬火PVDF材料的击穿场强为Eb=116.25kV/mm，形状特征因子β=15.18。很明显，同样在交流击穿测试中，淬火后的PVDF薄膜的击穿场强高于淬火前的薄膜，其交流击穿场强提高了66.6%；并且，淬火后的PVDF材料的威布尔分布拟合形状因子更大，说明测试数据更集中，数据可信度更高。

图4 淬火前后PVDF薄膜的交流击穿场强对比图

（四）未淬火、淬火PVDF的直流击穿。另外，对淬火和未淬火的PVDF材料的直流击穿进行测试，研究淬火处理对PVDF材料的交流击穿和直流击穿的影响程度，其测试电压的威布尔分布结果如图5所示。从图5中可以看出，淬火后PVDF材料的直流击穿场强为Eb=350.23kV/mm，形状特征因子β=24.7，而未淬火的PVDF的直流击穿场强为Eb=333.22kV/mm，形状特征因子β=17.5。从图中的测试结果来看，淬火PVDF材料的直流击穿电场强度最大，是未淬火PVDF材料的1.05倍，且形状特征因子β明显高于未淬火PVDF材料。一般来说，β的数值越大，材料击穿场强分布集中，材料的可靠性越高[4]。与图4的分析结论进行对比，淬火后PVDF聚合物的绝缘性能特性得到了改善。淬火处理能够提高PVDF材料的交直流击穿场强特性，且对交流击穿场强值提升幅度较大，而淬火后获得的PVDF材料的直流击穿场强更高。

图5 淬火前后PVDF薄膜的直流击穿场强对比图

（五）不同厚度的淬火PVDF的直流击穿。由上述分析可知，16μm厚度的PVDF材料的交直流击穿场强特性与材料制备过程中淬火有很大关联，淬火工艺能够提高PVDF材料的交流和直流击穿场强，源于淬火工艺能够提高PVDF聚合物的结晶程度和促进其稳定晶型的转化，从而造成材料的内部空间电荷密度较低，材料的损耗较小，从而能够提高其交直流条件下的耐电压能力。

进一步，为探索PVDF薄膜厚度因素对其击穿场强的影响，对淬火后的16μm和56μm的两种PVDF试样进行直流击穿测试，其测试电压的威布尔分布结果如图6所示。从图6中可以看出，16μm淬火的PVDF材料直流击穿电场强度为Eb=350.23kV/mm，形状特征因子 β=24.7；而 56μm 淬火的PVDF材料直流击穿电场强度为Eb=183.34kV/mm，形状特征因子β=73.96。从图中的测试结果来看，16μm淬火的PVDF材料直流击穿电场强度远高于56μm淬火的PVDF材料，是56μm淬火的PVDF材料直流击穿电场强度的1.91倍。从电场强度与电压之间的关系上分析，在同样测试电压下，薄膜厚度越小，其材料的测试出来的击穿场强越大。而从电介质物理角度分析，聚合物材料内部的空间电荷密度、电场畸变与厚度呈正相关，材料厚度越大，其内部空间电荷密度越大，越容易在较低电场下发生电树枝而快速导致材料击穿，所以厚度大的材料其测试的击穿场强降低；通常认为，击穿场强与厚度之间遵从反幂定律[5]。