為探究材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度隨填料填充含量的變化規(guī)律，本論文將使用硅烷偶聯(lián)劑處理過的70n,m, s},m和1.sn.m球形氧化鋁按照6:2:2的質(zhì)量比進(jìn)行混合，構(gòu)成高導(dǎo)熱填料體系，再將其添加到硅橡膠基體中，制備出不同填料添加含量下的熱界面復(fù)合材料樣品，該樣品呈圓形，其直徑為100mm、厚度為2mm,如圖1所示。實物連接圖如圖2所示。實驗過程中需將待測的熱界面復(fù)合材料、電極等浸泡在二甲基硅油中，以進(jìn)一步抑制表面閃絡(luò)的發(fā)生，減小實驗誤差。實驗采用的測試標(biāo)準(zhǔn)為astm d149。
圖1 樣品圖
圖2 擊穿試驗實物連接圖
不同填料含量下的材料的交流電氣介電擊穿強(qiáng)度值如表1所示，變化趨勢如圖3所示。擊穿后的復(fù)合材料樣品如圖4所示，樣品上的黑色斑跡為擊穿點。由圖3可看出，復(fù)合材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度隨著填料填充含量的增大而下降。由表1可知:純硅膠的電氣介電擊穿強(qiáng)度最大，為15.21kv/mm;填料的填充含量為70%時，電氣介電擊穿強(qiáng)度為13.89kv/mm，其值相比純硅膠下降了8.7%;填料的填充含量為85%時，電氣介電擊穿強(qiáng)度為11.olkv/mm，其值相比純硅膠下降了27.6%;填料的填充含量達(dá)到95%時，電氣介電擊穿強(qiáng)度為8.58kv/mm，其值相比純硅膠下降了43.6%。
表1不同粒徑填充下材料交流電氣介電擊穿強(qiáng)度
圖3不同填充含量下材料交流電氣介電擊穿強(qiáng)度變化趨勢
根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，可以按照以下模型思想對材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度進(jìn)行分析:填充型材料的多殼模型由緊密層、連接層、松散層和古依一查普曼雙電層四個層次構(gòu)成。其中緊密層為連接小顆粒無機(jī)填料和有機(jī)基體的部分;連接層可通過移動有機(jī)聚合物鏈影響固化后復(fù)合材料的分子結(jié)構(gòu);松散層的移動性強(qiáng)，與聚合物距離最遠(yuǎn)，受緊密層的影響最小;古依一查普曼雙電層覆蓋在以上三層之上。兩個不同的物體相互接觸時，由于其自由電子荷的濃度不同，在接觸界面便會產(chǎn)生接觸電勢，兩物體會產(chǎn)生電量相等、極性相反的電荷。在各種力場和熱擴(kuò)散的共同作用下電荷最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)且該電層在緊密層、連接層、松散層這三層之外。
硅橡膠分子鏈上本身的缺陷會導(dǎo)致純硅膠的電氣介電擊穿強(qiáng)度低于理想值。在硅橡膠中加入微米級無機(jī)填料，基體粘度增高，高導(dǎo)熱填料體系在基體中分散性變差，制得的復(fù)合材料會出現(xiàn)內(nèi)部存在氣孔、裂紋、表面不平整等現(xiàn)象，從而引入除硅橡膠本身分子鏈缺陷以外更多的缺陷，導(dǎo)致復(fù)合材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度變低。另外，由于微米級無機(jī)填料的引入可導(dǎo)致更多的起始電子，而起始電子移動容易，伴隨電子之間的撞擊，產(chǎn)生更多的電子，從而降低了電氣介電擊穿強(qiáng)度。因此，復(fù)合材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度隨著填料含量的增大而減小。
為探究單一粒徑填充下，材料電氣介電擊穿強(qiáng)度隨氧化鋁粒徑的變化規(guī)律，分別將使用偶聯(lián)劑處理過的70n,m, 20um和0.5um球形氧化鋁填充到硅橡膠基體中，制得復(fù)合材料樣品，其填料的填充含量均為77%。在相同的實驗環(huán)境下測量不同樣品的擊穿電壓，復(fù)合材料交流擊穿場強(qiáng)的變化趨勢如圖5所示。
圖5不同粒徑填充下材料的交流電氣介電擊穿強(qiáng)度
由圖可知，復(fù)合材料的電氣介電擊穿強(qiáng)度隨著填料粒徑的增大而增大。氧化鋁粒徑為70um時，電氣介電擊穿強(qiáng)度最大，為11.07kv/mm氧化鋁粒徑為20um時，電氣介電擊穿強(qiáng)度為10.48kv/mm，其值相比粒徑為70um時下降了5.3%}氧化鋁粒徑為o.sum時，電氣介電擊穿強(qiáng)度為10.21kv/mm，其值相比粒徑為70um時降了7.7% 。
在相同填充含量下，填料的粒徑越小，其分子顆粒數(shù)越多，無機(jī)填料與基體間的接觸面積越大，粒子越不容易在基體中均勻分散，容易形成較多的氣隙等缺陷，而擊穿往往在這些比較脆弱的地方首先放生，導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪?qiáng)變小。因此，單一粒徑填充下，復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)隨填料粒徑的減小而減小。