聚偏二氟乙烯介質的交/直流擊穿性能對比研究

商 行 劉淑華 陳子俊 文大禹

（綏化學院電氣工程學院 黑龍江綏化 152061）

近年來，高壓絕緣材料在電力電纜、電力電容器及儲能器件中得到廣泛應用。尤其是高分子聚合物電介質作為高電壓絕緣材料，像聚偏二氟乙烯，其優異的鐵電、壓電和絕緣特性在電能存儲設備中具有潛在的應用價值。而在高壓直流輸電系統中的關鍵環節，聚合物絕緣材料的絕緣可靠性是影響整個電力系統安全運行的重要因素[1,2]。因此，對聚合物材料的絕緣特性要求越來越高。聚偏二氟乙烯（PVDF）鐵電聚合物材料具有良好鐵電性、耐化學腐蝕性、柔性和加工性能好等特性，其制備方法多種多樣，眾多方法中溶液涂覆法最為常用而簡便，獲得的薄膜材料的質量較高，可工業化生產。而該材料的絕緣強度直接影響其在電力儲能設備中充當中間層介質的質量，其高壓交直流擊穿特性的研究具有工程實際意義。因此，本文采用流延法結合淬火工藝，制備了未淬火和淬火的兩種PVDF薄膜測試樣品，從而詳細地開展淬火、施加測試電壓種類和薄膜厚度等多種因子對PVDF材料的擊穿場強的影響，為PVDF材料在高壓設備制造領域中提高試驗測試基礎。

一、實驗原材料及其樣品制備

（一）實驗原材料。PVDF(FR904)粉末采購于上海三愛富新材料科技有限公司產品，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和無水乙醇由國藥集團化學試劑有限公司提供，二甲基硅油（優級純）采購于天津市黃復精細化工研究所。

（二）主要儀器及設備。FA1004型精密電子天平，上海舜宇恒平儀器有限公司產品；78-1型磁力攪拌器，江蘇金壇市中大儀器廠產品；WGL-125B型電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；MS-XB320型實驗室涂布機，廈門茂森自動化設備有限公司產品；DDJ-50KV電壓擊穿試驗儀，北京冠測精電儀器設備有限公司。

（三）實驗樣品制備過程。在室溫磁力攪拌狀態下，向DMF溶劑中緩慢加入一定量PVDF粉末，攪拌6h，靜置12h，獲得粘稠透明混合漿液。將上述混合漿液均勻涂覆在潔凈的玻璃板上，置于180℃烘箱10min后，迅速置于冰水混合物中浸泡，獲得淬火的PVDF塑料薄膜材料。另外，按照上述步驟，制備未高溫淬火的純PVDF塑料薄膜材料，需在80℃烘箱烘10h處理后，作為對比樣品。

二、表征與檢測方法

利用DDJ-50KV電壓擊穿試驗儀，測試三種樣品的擊穿電壓。測試擊穿試驗方法設置為：保護電流10～15A，升壓速度0.05kV/s～0.1kV/s，終止電壓10～15kV，判停方式設置為擊穿電流1mA～5mA。在絕緣油中進行交流與直流擊穿試驗，其測試裝置如圖1所示，包括高壓電源正負極、保護罩、絕緣槽、上電極、試樣、下電極和絕緣油構成。測試之后，利用Origin軟件對擊穿數據進行整理與分析。

圖1 交直流擊穿測試裝置示意圖

三、結果與分析

（一）淬火PVDF的交、直流擊穿。圖2為16μm厚度的淬火的PVDF樣品的交流和直流擊穿場強的威布爾分布對比圖，從圖中發現，淬火的PVDF材料交流擊穿的電場強度為Eb=193.67kV/mm，對應的擬合形狀特征因子β=25.78；而相同厚度的淬火PVDF試樣的直流擊穿電場強度為Eb=350.23kV/mm，對應的形狀特征因子β=24.7。從圖中的測試結果來看，淬火中的PVDF樣品擊穿電場強度中，直流擊穿測試的擊穿電場強度最大，是交流的1.81倍，且直流和交流擊穿時淬火PVDF樣品對應的形狀因子相接近，說明兩次測試的電壓點分布密集，測試結果可信度高，表明淬火的PVDF薄膜的直流擊穿場強明顯大于交流擊穿場強值。一般認為，高聚物絕緣電介質材料在電場下，特別是直流電場作用下容易俘獲外界注入的電荷，注入的空間電荷在介質內部的積累可能引起材料內部電場的嚴重畸變。當畸變的電場強度達到一定值時，可能引發材料發生電樹枝化，最終導致材料的擊穿[3]。所以，從上述對比可知，淬火PVDF材料的直流擊穿電場強度最大，說明直流電場施加下，PVDF材料不容易發生電樹枝而引發擊穿；相比之下，交變電場施加下，注入淬火的PVDF樣品內部電子可能更多，更容易入陷聚合物種形成空間電荷而快速引發電樹枝，從而容易發生擊穿，因此交流電場下的擊穿場強較低，代表交流電場下，淬火的PVDF材料耐受擊穿電壓的能力較弱。

圖2 淬火PVDF薄膜的交直流擊穿場強的對比圖

（二）未淬火PVDF的交、直流擊穿。圖3是未淬火的PVDF試樣的交流擊穿與直流擊穿對比圖，從圖中可以看出，未淬火的PVDF材料交流擊穿的電場強度為Eb=116.25kV/mm，形狀特征因子β=15.18；而其直流擊穿的電場強度為Eb=333.22kV/mm，形狀特征因子β=17.5。很明顯，未淬火的PVDF的直流擊穿場強是交流擊穿場強的2.87倍，比圖2結果中的淬火后的倍數提高更多。這種現象表明，淬火后的PVDF內部的晶型發生轉化，更趨于一種晶型，而這種晶型有助于其耐受電壓能力的提升。

圖3 未淬火PVDF薄膜的交直流擊穿場強的對比圖

（三）未淬火、淬火PVDF的交流擊穿。進一步，對淬火和未淬火的PVDF材料的交流擊穿進行測試，對比分析淬火的作用，其結果如圖4所示。淬火的16umPVDF材料交流擊穿的電場強度為Eb=193.67kV/mm，形狀特征因子β=25.78，而交流擊穿時未淬火PVDF材料的擊穿場強為Eb=116.25kV/mm，形狀特征因子β=15.18。很明顯，同樣在交流擊穿測試中，淬火后的PVDF薄膜的擊穿場強高于淬火前的薄膜，其交流擊穿場強提高了66.6%；并且，淬火后的PVDF材料的威布爾分布擬合形狀因子更大，說明測試數據更集中，數據可信度更高。

圖4 淬火前后PVDF薄膜的交流擊穿場強對比圖

（四）未淬火、淬火PVDF的直流擊穿。另外，對淬火和未淬火的PVDF材料的直流擊穿進行測試，研究淬火處理對PVDF材料的交流擊穿和直流擊穿的影響程度，其測試電壓的威布爾分布結果如圖5所示。從圖5中可以看出，淬火后PVDF材料的直流擊穿場強為Eb=350.23kV/mm，形狀特征因子β=24.7，而未淬火的PVDF的直流擊穿場強為Eb=333.22kV/mm，形狀特征因子β=17.5。從圖中的測試結果來看，淬火PVDF材料的直流擊穿電場強度最大，是未淬火PVDF材料的1.05倍，且形狀特征因子β明顯高于未淬火PVDF材料。一般來說，β的數值越大，材料擊穿場強分布集中，材料的可靠性越高[4]。與圖4的分析結論進行對比，淬火后PVDF聚合物的絕緣性能特性得到了改善。淬火處理能夠提高PVDF材料的交直流擊穿場強特性，且對交流擊穿場強值提升幅度較大，而淬火后獲得的PVDF材料的直流擊穿場強更高。

圖5 淬火前后PVDF薄膜的直流擊穿場強對比圖

（五）不同厚度的淬火PVDF的直流擊穿。由上述分析可知，16μm厚度的PVDF材料的交直流擊穿場強特性與材料制備過程中淬火有很大關聯，淬火工藝能夠提高PVDF材料的交流和直流擊穿場強，源于淬火工藝能夠提高PVDF聚合物的結晶程度和促進其穩定晶型的轉化，從而造成材料的內部空間電荷密度較低，材料的損耗較小，從而能夠提高其交直流條件下的耐電壓能力。

進一步，為探索PVDF薄膜厚度因素對其擊穿場強的影響，對淬火后的16μm和56μm的兩種PVDF試樣進行直流擊穿測試，其測試電壓的威布爾分布結果如圖6所示。從圖6中可以看出，16μm淬火的PVDF材料直流擊穿電場強度為Eb=350.23kV/mm，形狀特征因子 β=24.7；而 56μm 淬火的PVDF材料直流擊穿電場強度為Eb=183.34kV/mm，形狀特征因子β=73.96。從圖中的測試結果來看，16μm淬火的PVDF材料直流擊穿電場強度遠高于56μm淬火的PVDF材料，是56μm淬火的PVDF材料直流擊穿電場強度的1.91倍。從電場強度與電壓之間的關系上分析，在同樣測試電壓下，薄膜厚度越小，其材料的測試出來的擊穿場強越大。而從電介質物理角度分析，聚合物材料內部的空間電荷密度、電場畸變與厚度呈正相關，材料厚度越大，其內部空間電荷密度越大，越容易在較低電場下發生電樹枝而快速導致材料擊穿，所以厚度大的材料其測試的擊穿場強降低；通常認為，擊穿場強與厚度之間遵從反冪定律[5]。

圖6 不同厚度的PVDF薄膜的直流擊穿場強對比圖

四、結論

（一）PVDF薄膜材料的交/直流擊穿場強分別為116.25kV/mm和333.22kV/mm，其直流擊穿場強高于交流擊穿場強。

（二）高溫淬火工藝提高了PVDF薄膜材料的交/直流擊穿場強，且提高其交流擊穿場強幅度大。

（三）淬火PVDF薄膜的厚度影響其直流擊穿場強，薄膜的直流擊穿場強大于厚膜的。

（四）16μm的淬火PVDF薄膜材料具有最大直流擊穿場強350.23kV/mm。