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不同厚度對擊穿電壓實驗的影響
閱讀：1218發布時間：2023-5-16
不同厚度和不同極化/去極化程度對擊穿電壓特性的影響：
為了分析極化/去極化程度對聚丙烯薄膜擊穿特性的影響，對不同極化/去極化時間(Oh, 2h, 6h, 10h)的厚度為100 um的試樣在電極間距為4 mm的針一棒電極下進行擊穿實驗，經過韋伯分布處理后的實驗結果如圖1所示，隨著極化/去極化時間的增加，擊穿電壓呈現下降的趨勢，由0h的13.86 kV下降到10h的11.75kV。由于極化/去極化過程中的電荷注入，聚丙烯薄膜的晶體結構被破壞和減小，極化/去極化對非結晶區的影響更為顯著，從而導致電場強度的降低。此外，在聚合物表面上產生的電荷提高了電極連接處的電場強度，并導致擊穿電壓的下降。
為了分析試樣厚度對聚丙烯薄膜擊穿特性的影響，對不同極化/去極化時間的厚度分別為20um和60 um的試樣在電極間距為4 mm的針一棒電極下進行擊穿實驗，經過韋伯分布處理后的實驗結果如圖2所示，同樣可以看出隨著極化/去極化時間的增加，擊穿電壓呈現下降的趨勢。可見聚丙烯絕緣的極化/去極化程度與擊穿電壓有一定的線性關系，大分子發生斷鍵，產生大量的小分子，使非結晶區更加不均勻，導致其承受的電場相對較大而更容易發生擊穿。隨著極化/去極化程度的加劇，這種效應更加明顯。另外，隨著試樣厚度的增加，擊穿電壓也隨之增加。這主要是因為在體積效應的作用下，接觸點處的電場應力隨著勢壘厚度的增加而減小，對于更厚的固體勢壘這意味著需要更高的外加電壓來提高電離過程，以便提高接觸點處的電場應力以達到擊穿條件。本文也對60um和100um厚度的試樣在不同極化/去極化時間的擊穿電流進行了處理分析，如圖3所示，隨著極化/去極化時間的增加，擊穿電流呈現下降的趨勢，這歸因于極化/去極化程度的加劇，使聚丙烯薄膜擊穿變得更加容易。同時可看出，隨著試樣厚度的增加，擊穿電流也呈現出增長的趨熱。
利用canny算子的圖像提取方法對不同厚度的聚丙烯薄膜在不同極化/去極化時間的擊穿孔進行計算分析，如圖4所示，隨著極化/去極化時間的增加，擊穿孔面積表現出顯著的下降趨勢。再利用灰度共生矩陣的圖像提取方法對聚丙烯薄膜在不同極化/去極化時間的擊穿孔和碳化區進行計算分析，從圖5同樣可以看出角二階矩陣隨著極化/去極化時間的增加而下降，且對于越薄的薄膜下降趨勢更加迅速。這主要是因為聚丙烯薄膜在極化/去極化作用下發生化學反應和結構變化，形成低密度區和小分子。因此，導電電子和離子在薄膜的導電能級中明顯增加。在直流電場的作用下，導電電子可以獲得足夠的能量來破壞晶體結構，從而容易發生擊穿。由于介質擊穿和介電性能取決于薄膜的結構，隨著極化/去極化時間的增加，晶體結構的破壞程度增強，所需的擊穿能量減少，同時擊穿電流的減小使得焦耳熱對薄膜擊穿形貌的影響變小，從而導致擊穿孔面積和角二階矩陣的減小。另外，隨著試樣厚度的增加，擊穿孔面積和角二階矩陣均呈現出下降的趨勢。雖然越厚的薄膜由于有著更高的擊穿電壓和擊穿電流而產生更多的能量，但是更大的體積可以很好地阻止熱量的傳導和擴散，從而保護薄膜的結構。
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