復(fù)合薄膜的介電性能和電擊穿強(qiáng)度性能測試

1 介電性能

       為表征和分析 BT/PI 與 PI@BT/PI 兩種復(fù)合薄膜在不同頻率電場下的下介電性能，對兩種復(fù)合薄膜進(jìn)行寬頻介電譜測試，結(jié)果如圖 3-8 所示。圖 a，b為室溫下填充不同 BT 和 PI@BT 納米粒子的 PI 復(fù)合材料的介電常數(shù)(ε’)和介電損耗(tanδ)點(diǎn)線圖。由圖 a，b 可知，常溫常壓下，聚酰亞胺純膜介電常數(shù)在3.2 左右，隨著測試頻率的升高，薄膜介電常數(shù)也隨之降低，由 10-1 Hz 頻率下的 3.29 下降至 106 Hz 頻率下的 3.14，下降了 4.7%。且介電損耗較低，為0.0016，低介電損耗對介電材料有著重要的性能，由此說明聚酰亞胺擁有著良好的介電穩(wěn)定性，而 PI 復(fù)合材料的介電常數(shù)與 PI 純膜有著相同的趨勢。

        BT/PI 和 PI@BT/PI 復(fù)合薄膜的的介電常數(shù)隨著填料含量的增加而逐漸增大，這是由于 BT 納米粒子固有的高介電常數(shù)和界面極化的構(gòu)建。PI@BT PI 復(fù)合材料具有比 BT/PI 復(fù)合材料更高的介電常數(shù)，當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 55 wt%時，PI@BT /PI 復(fù)合材料的介電常數(shù)在 100 Hz 時達(dá)到 15.01，比同等填充量下的 BT/PI 復(fù)合材料的介電常數(shù)提高了 26%，比 PI 純膜的介電常數(shù)提高了 4.69倍，且介電損耗較低，僅有 0.004。產(chǎn)生了這種效果的原因主要有三點(diǎn)：首先，PI 為聚合物殼，其對 BT 粒子的包覆降低了 BT 粒子表面能，有助于減少團(tuán)聚，增加粒子在基體中的分散，增加界面面積，從而提高介電常數(shù)。其次，PI 作為包覆 BT 粒子的聚合物層，與基體 PI 擁有著*相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因此 PI@BT 粒子與 PI 相容性中更好，更加利于 PI@BT 粒子在基體中的分散，形成更多界面。最后，PI 聚合物殼可以起到緩沖層的作用，減輕納米粒子與聚合物基體在介電常數(shù)上的較大反差,在納米復(fù)合體系中促進(jìn)更均勻的極化響應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合薄膜具有更的高介電常數(shù)。

       復(fù)合薄膜介電損耗圖如圖 3-8c、d 所示，原始 PI 和 PI 復(fù)合材料的介電損耗與頻率有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。在低頻范圍內(nèi)，納米粒子的引入導(dǎo)致了 PI 與 BT接觸形成界面，從而有了空間電荷極化的產(chǎn)生，空間電荷極化對 PI 復(fù)合材料介電損耗的增加起主導(dǎo)作用。隨著頻率的增加，空間電荷極化不能跟上頻率的變化，因此介質(zhì)損耗主要來源于偶極極化，介電損耗逐漸降低。隨著 BT 或PI@BT 顆粒的加入，界面極化增多，因此復(fù)合材料的介電損耗略高于于原始PI，與 BT 納米粒子相比，PI@BT 納米粒子在 PI 基體中的良好分散抑制了空間電荷的局部積聚，從而降低了介電損耗，因此 PI@BT/PI 復(fù)合薄膜介電損耗較 BT/PI 略低。值得注意的是，在整個頻率范圍內(nèi)，PI 復(fù)合材料的介電損耗保持在相對較低的值(tanδ<0.01)。

2、擊穿場強(qiáng)

       測量了樣品電擊穿強(qiáng)度，結(jié)果如圖 3-9 所示。為了更好地理解納米粒子對介電擊穿強(qiáng)度的影響，采用 Weibull 分布函數(shù)對測量過程中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了

分析。由于材料的擊穿場強(qiáng)和使用壽命具有統(tǒng)計變化，故對其進(jìn)行 Weibull 分布統(tǒng)計。圖 a，b 為兩種復(fù)合薄膜擊穿場強(qiáng)韋布爾分布圖，圖 c 為兩種復(fù)合薄膜特征擊穿場強(qiáng)對比圖。利用 Weibull 分布可評判材料擊穿性能的統(tǒng)計規(guī)律，能強(qiáng)有力地反映出材料在電場作用下被擊穿而失效的概率。

       由圖可知，由于納米粒子的引入屬于變相破壞了聚合物基體的均一性，因此隨著納米粒子填充量的增加，兩種聚酰亞胺基復(fù)合薄膜擊穿場強(qiáng)皆逐漸降低。當(dāng)填充量為 55 wt%時，BT/PI 復(fù)合薄膜擊穿場強(qiáng)降低至 128.93 kV/mm，較之 PI 純膜(209.6 kV/mm)下降 38.4%。而在同等填充量下，PI@BT/PI 復(fù)合薄膜擊穿場強(qiáng)為 140.74，較同填充量 BT/PI 提高 11.81 kV/mm。并且在各個填充量下，PI@BT/PI 復(fù)合薄膜擊穿強(qiáng)度皆高于同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 BT/PI。由于電介質(zhì)的擊穿通常是發(fā)生在受試材料較為薄弱的地方，這在側(cè)面說明了經(jīng)過 PI 包覆處理的 PI@BT 納米粒子在 PI 基體中的分散情況較之未經(jīng)處理的 BT 要好，擁有核殼結(jié)構(gòu)的 PI@BT 納米粒子可以有效減少由于納米粒子的微小團(tuán)聚而與聚合物基體間產(chǎn)生的空隙，從而減少了受陷空氣的離子化，減緩了擊穿場強(qiáng)的下降。因此，盡管低于 PI 純膜，PI@BT/PI 復(fù)合薄膜擊穿強(qiáng)度仍保持較高數(shù)值。