冲击电压下溶胀效应对硅橡胶电树枝特性的影响

作者： 国自电气 时间：2024-09-04 09:27:32 阅读：23

SiR 的主要分子结构为聚二甲基硅氧烷（PDMS），而硅脂与 SiR 具有相似的分子结构，因此，根据相似相容原理，当硅脂涂覆在 SiR表面时，硅脂会逐渐扩散进入 SiR 内部，使其发生溶胀，因此，随着溶胀时间的增加，SiR的质量与体积逐渐减小，密度逐渐增大，如图1所示。

SiR内部的交联网络包括由共价键形成的化学交联结构以及由氢键形成的物理交联结构，氢键是在 SiR主链上的氧原子与纳米二氧化硅表面的羟基之间形成的，氢键密集地分布在纳米二氧化硅的表面，限制了 SiR分子链的相对滑动，对 SiR力学性能起到补强作用。J P COHEN-ADDAD 等研究指出，SiR 内部分子链上的氢键结合位点是一个伴随着形成与解离的动态系统，不能看作是一个稳定不变的刚性晶格，虽然氢键不是完全紧密连接的，但其数量巨大而在一定程度上对分子链起到稳固的作用。硅脂由于与 SiR 具有相似的分子链结构，其主链上的氧原子也可以与纳米二氧化硅表面的羟基形成氢键，因此，当硅脂进入 SiR 内部后，由于氢键的结合位点是不断变化的，因此当 SiR 主链上的

部分结合位点发生解离后，纳米二氧化硅表面的羟基有可能被硅脂主链上的氧原子所占据，导致原先SiR 主链上形成的氢键数量减少，物理交联结构遭到一定程度的破坏。而 SiR内部的化学交联结构是通过共价键形成的，其键能较大，硅脂无法对其造成破坏，化学交联网络受溶胀效应的影响不大。因此，随着硅脂溶胀程度的增大，SiR的物理交联密度有所降低 ，进而导致其交联密度下降 ，如图2所示。SiR物理交联结构的破坏会对其自由体积产生影响，SiR分子链与纳米 SiO2形成键合后，局部区域包含着数个被分子链段分隔开的自由体积，当纳米

SiO2表面上原先与 SiR分子链键合的位点被硅脂小分子占据后，部分被分隔开的自由体积相互连接，导致自由体积增大。

图1

图2

而自由体积增大将影响 SiR的电树枝特性。图3所示为载流子在 SiR内部输运的示意图，自由体积的增大导致载流子平均自由程增大，一方面，平均自由程增大后，载流子在电场加速作用下可获得更高的能量，发生碰撞电离后产生的能量也更高，对SiR分子链段的破坏程度加重；另一方面，载流子在电场作用下迁移一定距离 le后获得的能量记为 Ele，若此能量高于陷阱的势垒高度 Ea，则载流子可跃过陷阱继续迁移，从而使得载流子数量增多，碰撞电离过程加剧，产生的高能电子撞击 SiR 分子链使其断裂过程加剧。局部分子链段破坏导致自由体积进一步增大，当自由体积增大至一定程度时发生局部放电，进而形成低密度区，最终电树枝开始引发。因此 ，随着溶胀程度的增大 ，SiR 的起树电压逐渐降低。

图3

考虑陷阱的影响，载流子在介质内部输运时，其在扩展态迁移所需的时间远小于其在局域态（陷阱）中停留的时间，因此，载流子的输运过程主要受到介质内部陷阱的调控。深/浅陷阱对载流子的捕获能力不同，深陷阱能级较大，载流子在电场作用下获得的能量低于深陷阱势垒，被深陷阱捕获，而载流子的热助出陷过程需要较长的时间，载流子无法在短时间内出陷，因此深陷阱密度增大会导致迁移载流子的数量和迁移率降低；而浅陷阱由于能级较浅，载流子在电场作用下获得的能量往往能使其越过浅陷阱而不被捕获，浅陷阱能为载流子提供跃迁位点，载流子可以通过在浅陷阱间跳跃来进行迁移，因此，浅陷阱密度增大使得浅陷阱间的平均距离减小，载流子更容易在浅陷阱间进行跃迁，导致迁移率增大。根据前文陷阱特性的测试结果，随着溶胀时间的增加，SiR试样深陷阱密度减小，浅陷阱密度增大 ，深/浅陷阱的能级均有所下降。溶胀后SiR内部的深陷阱数量减少，且势垒降低，载流子在迁移过程中碰见深陷阱的概率降低，同时，遇见深陷阱后直接越过深陷阱继续迁移的概率增大，所以载流子被深陷阱捕获的概率降低。浅陷阱密度增大、能级降低同样有利于载流子的迁移。迁移载流子浓度和迁移率增大，加剧碰撞电离过程，加速电树枝的引发。因此，随着溶胀时间的增加，SiR试样的起树电压逐渐降低。

电树枝在生长过程中，主要沿着物理交联区域和自由体积进行生长。物理交联区域虽然密集地分布着许多物理交联点，整体上表现出较大的机械强度，但是氢键的键能远低于分子链上原子间的键能和化学交联形成的共价键的键能，因此物理交联区域属于弱区 ，高能电子可以更容易对其进行破坏。溶胀前 SiR 交联结构完好，电树枝沿着部分物理交联区域以及场强较高的轴向进行生长，无法产生较多分支，因此主要形成枝状的电树枝；溶胀后，由于物理交联结构的破坏，自由体积增大，电树枝更容易在物理交联区域沿着更多方向生长，且在场强较弱的径向方向上也可以进行大量生长，产生更多分支。因此，随着溶胀时间的增加，SiR中电树枝分支增多，形貌逐渐趋于密集，由树枝状向丛林状

转变。