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1、2008年2月5日无机材料物理性能无机材料物理性能第二十一讲第二十一讲介电强度介电强度v介质在电场中的破坏v热击穿v电击穿v无机材料的击穿介质在电场中的破坏 介质的特性都是指在一定的电场强度范围内的材 料的特性。当电场强度超过某一临界值时，介质 由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度 的破坏，或叫介质的击穿。相应的临界电场强度 称为介电强度，或称为击穿电场强度。 击穿类型分为三种：热击穿、电击穿、局部放电 击穿。 击穿过程非常复杂，影响因素如下： 内因：固体结构及其分子组成 外因(实验条件)：周围媒质的温度、电压频率、电压增加的速度、加压的时间、电极与试样的情况击 穿热击穿热击穿v热击穿的
2、本质是:处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。热击穿热击穿热击穿热击穿击穿过程存在临界电场Ec和临界温度Tc,且满足下列条件:上式求解困难,常简化为以下两种情况:热击穿热击穿1、电压长期作用，介质内温度变化 极慢，这种状态下的击穿为稳态 热击穿。2、电压作用时间很短，散热来不及 进行，这种状态下的击穿为脉冲 热击穿。热击穿热击穿o温度不均匀的厚膜介质 热击穿电压随环境温度升高而降低热击穿电压与介质厚度无关。热击穿热击穿o温度均匀薄膜介质电击穿电击穿
3、本征电击穿理论“雪崩”电击穿理论q固体电击穿理论是在气体放电的碰撞 电离理论基础上建立的。本征电击穿理论本征电击穿理论v与介质中自由电子有关，室温下即可发生，发生时间很短(10-810-7s)。 v介质中的自由电子的来源：（）杂质或缺陷能级；（）价带。本征电击穿理论本征电击穿理论单位时间电子从电场获得的能量为A设B为电子与晶格波相互作用时单位 时间能量的损失。则：本征电击穿理论本征电击穿理论平衡时：当电场上升到使平衡破坏时，碰撞电离过程便 立即发生。把这一起始场强作为介质电击穿场强的理论即 为本征击穿理论。本征电击穿理论本征电击穿理论v 本征电击穿理论分为单电子近似和集合电子近似两种。v Fr
4、ohlich的利用集合电子近似的方法，建立了关于杂质晶体电击穿的理论，其击穿场强为：“雪崩雪崩”电击穿理电击穿理 论论q “雪崩”电击穿理论以碰撞电离后自由电子数 倍增到一定数值作为电击穿判据。q “雪崩”电击穿和本征电击穿在理论上有明显 的区别：本征击穿理论中增加导电电子是继稳态破 坏后突然发生的，而“雪崩”击穿是考虑到高 场强时，导电电子倍增过程逐渐达到难以忍受 的程度，最终介质晶格破坏。无机材料的击穿不均匀介质中的电压分配 设双层介质具有各不相同的电性质，和分别代表第一层、第二层的介电常数、电导率、厚度。 若在此系统上加直流电压U，则各层内的电场强度，。都不等于平均电场强度E：如果1和2
5、相差甚大，则必然其中一层的电场强度将大于平均场强E，这一层可能首先达到击穿强度而被击穿。一层击穿以后，增加了另一层的电压，且电场因此大大畸变，结果另一层也随之击穿。由此可见，材料的不均匀性可能引起击穿场强的降低。无机材料的击穿内电离内电离vv材料中气泡的材料中气泡的及及很小，因此加上电压后气很小，因此加上电压后气泡上的电场较高，介电强度远低于固体介质，泡上的电场较高，介电强度远低于固体介质，所以首先气泡击穿，引起气体放电（电离）产所以首先气泡击穿，引起气体放电（电离）产生大量的热，容易引起整个介质击穿。生大量的热，容易引起整个介质击穿。vv由于在产生热量的同时，形成相当高的内应力由于在产生热量
6、的同时，形成相当高的内应力，材料也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿，材料也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿称为电一机械一热击穿称为电一机械一热击穿。表面放电和边缘击穿q固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围气体媒质中，有时介质本身并未击穿，但有火花掠过它的表面，这就是表面放电。 q电极边缘常常电场集中，因而击穿常在电极边缘发生，即边缘击穿。表面放电和边缘击穿v为消除表面放电，防止边缘击穿，应选用电导率或介电常数较高的媒质，同时媒质本身介电强度要高，通常选用变压器油。v此外，在瓷介表面施釉，可保持介质表面清洁，而且釉的电导率较大，对电场均匀化有好处。v还应注意元件结构，电极形状的设计。
