汪春昌，趙撼宇，伯德福

(安徽大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230601)

絕緣材料是指電阻率大于109Ωcm的材料，其作用是將帶電體隔離開來，防止短路和漏電.絕緣材料是電機、電器制造中的關鍵材料，也是最容易損壞的材料，其絕緣性能的優(yōu)劣決定了電機、電器制品能否安全運行，技術經濟指標能否進一步提高.

按照絕緣材料的形態(tài)來分類，可以分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)絕緣材料，本文僅討論固態(tài)絕緣材料(下文所指絕緣材料，均屬此類). 決定絕緣材料絕緣性能的關鍵因素是溫度，溫度升高，常用的絕緣材料(如高分子絕緣材料)很容易被燒毀，其它絕緣材料(如陶瓷絕緣材料)由于離子導電性增強而失去絕緣性，甚至變?yōu)閷щ婓w. 因此，如何提高絕緣材料的耐熱溫度，一直是科技工作者探索和研究的問題. 按國家標準GB11021-89(IEC85)規(guī)定，將絕緣材料劃分為Y、A、E、B、F、H、C等7個耐熱等級，其中，C級為最高耐熱等級，要求絕緣材料在180 ℃以上高溫仍能保持絕緣性能[1].

隨著電機、電器使用條件的提高，對絕緣材料耐熱性的要求也在不斷提高. 那么，如何確定絕緣材料的耐熱等級？換而言之，如何確定絕緣材料的絕緣性能在什么溫度下失效？這一問題是絕緣材料使用過程中首先要解決的問題. 使用傳統(tǒng)的直流法測定電阻隨溫度的變化，由電阻率大于109Ωcm的限定來確定決絕性能維持到多高溫度. 這就存在一個風險：在該法確定的絕緣溫度下，已有明顯的漏電，絕緣材料顯然不能在該溫度下長期使用. 所以，有必要尋找新的表征方法，找出絕緣材料失效溫度，并確定在什么溫度范圍，絕緣材料能夠長期安全使用.

為此，本文提出采用交流阻抗譜法，可以方便地表征絕緣材料的失效溫度，確定絕緣材料長期使用的安全溫度范圍.

1 實驗原理

絕緣材料是典型的電介質材料，理想的電介質是完全的絕緣體，其內部無自由載流子，因而在外電場作用下不導電，表征這類材料電學性能最好的方法是交流阻抗譜，因此，將所要表征的絕緣材料制作成如圖1(a)所示的平行板電容器，測量其在不同溫度下的阻抗頻率譜. 如果絕緣材料沒有漏電，上述電容器是理想電容器，其等效電路如圖1(b)所示，其阻抗為

(1)

其中，j2=-1，ω是圓頻率，C是所測得的電容值.阻抗虛部為

(2)

因此，在雙對數坐標圖上，Z″-ω是一條斜率為-1的直線,如圖1(c)所示.

圖1 (a) 無漏電的電介質電容器; (b) 等效電路; (c) Z″-ω關系曲線.

絕緣材料在高溫、強電場、高強度輻照等極端條件下使用，會增加其內部的載流子濃度，從而在電場下產生微弱的電流，這種在絕緣材料內部出現(xiàn)不期望的電流，被稱為漏導電流.絕緣材料開始出現(xiàn)漏導電流時，被稱為絕緣性能失效.當絕緣材料在上述極端條件下長時間使用時，其內部的載流子濃度會顯著增加，漏導電流越來越大，以至于使絕緣材料喪失其絕緣性，這種現(xiàn)象稱為絕緣材料的擊穿.本論文只限于討論溫度引起的漏電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由于原本束縛的載流子，在熱效應的作用下被激活，能夠以跳躍運動的方式形成電導，使絕緣材料出現(xiàn)漏導電流.用此材料做成的電容器就不再是理想電容器了，而是有漏電的電容器，如圖2(a)所示.這時，可以在圖1所示的等效電路圖中并聯(lián)一個電阻R來表征漏導電流，其等效電路如圖2(b)所示，其阻抗為

(3)

阻抗虛部為

(4)

其中，τ=RC，為弛豫時間.顯然，阻抗虛部在ωτ=1處呈現(xiàn)一個峰，峰值為R/2，如圖2(c)所示.由于弛豫時間隨溫度的升高而減小[2]，阻抗峰會隨測量溫度升高而向高頻方向移動.在方程(4)中，令R→∞，式(4)就變成式(2)，即理想絕緣體的情形，所以式(4)包括了式(2)，是更普適的阻抗表達式.如果絕緣材料漏導電流不明顯，即材料的電阻還非常大，此時，弛豫時間也較大，阻抗峰發(fā)生的頻率遠低于測量頻率，在雙對數坐標圖上，Z″-ω展現(xiàn)的是阻抗峰的高頻側，表現(xiàn)為低頻端開始偏離斜率為-1的直線.所以，只要找到Z″-ω偏離直線的溫度，此溫度即是電容器出現(xiàn)漏導電流的溫度，也是絕緣性能失效的溫度，在此溫度以下的溫度范圍，絕緣材料是理想絕緣體，因此，是絕緣材料能夠長期使用的安全溫度范圍.此外，由Z″-ω峰值可以確定不同溫度下絕緣材料的電阻值，進而由電阻率大于109Ωcm的限定，可以確定絕緣性能的溫度上限和耐熱等級.

圖2 (a) 有漏電的電介質電容器; (b) 等效電路; (c) Z″-ω關系曲線.

2 應用舉例

下面以兩個實例來說明交流阻抗譜表征絕緣材料性能失效溫度、絕緣材料能長期使用的安全溫度范圍以及能維持絕緣性能的溫度上限.所用的測量設備是穩(wěn)科6500B精密阻抗分析儀，測試時使用的交流信號振幅為100 mV，直流偏壓為0 V.

2.1 實例一：LaAlO3單晶

利用交流阻抗譜法確定LaAlO3單晶漏導電流出現(xiàn)溫度和該單晶材料的耐熱溫度上限.

將幾何尺寸為5 mm×3 mm×0.5 mm的LaAlO3單晶樣品(購置于合肥科晶公司)兩邊鍍上金電極，做成平行板電容器，并測量其在不同溫度下的阻抗頻率譜. 將測得的阻抗虛部對頻率在雙對數坐標軸中畫圖，如圖3所示. 由圖可見，LaAlO3單晶在200℃以下，阻抗虛部對頻率的關系是斜率為-1的直線，但超過200℃阻抗譜在低頻開始偏離線性. 說明LaAlO3單晶出現(xiàn)漏導電流的溫度為200℃，在此溫度下為理想絕緣體，該絕緣材料可以長期安全使用. 另一方面，由阻抗峰可以讀出LaAlO3單晶在250℃、275℃、300℃下的電阻值，再由樣品的幾何尺寸可以算得電阻率，畫出電阻率對溫度的關系圖，如圖3插圖所示. 一般絕緣材料電阻率隨溫度變化滿足如下熱激活行為[3]：

ρ=ρ0exp(E/kBT)

(5)

其中，ρ0是指數前因子，E是激活能，kB是玻耳茲曼常量.插圖中的實線是根據公式(5)擬合的結果.根據絕緣材料電阻率大于109Ωcm的限定，可以找出LaAlO3單晶大于109Ωcm的溫度為549 K，即276℃，此溫度為LaAlO3單晶耐熱溫度上限，滿足C級絕緣材料的要求.

圖3 LaAlO3單晶樣品的阻抗譜曲線，插圖是由阻抗譜導出的LaAlO3單晶樣品電阻率隨溫度變化圖

2.2 實例二：MgF2單晶

利用交流阻抗譜法確定MgF2單晶漏電出現(xiàn)溫度和該單晶材料的耐熱溫度上限.

將MgF2單晶(5 mm×3 mm×0.5 mm，購置于合肥科晶公司)制作成平行板電容器，測量MgF2平行板電容器在不同溫度下的阻抗譜. 將測得的阻抗虛部對頻率畫雙對數坐標圖，如圖4所示. 由圖可見，MgF2單晶在500℃以下，阻抗虛部對頻率的關系是斜率為-1的直線，但超過500℃阻抗譜在低頻開始偏離線性，說明MgF2單晶出現(xiàn)漏導電流的溫度為500℃，在此溫度下為理想絕緣體，該絕緣材料可以長期安全使用. 另一方面，由阻抗峰可以讀出MgF2單晶在550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃下的電阻值，再由樣品的幾何尺寸可以算得電阻率，畫出電阻率對溫度的關系圖，并用公式(5)擬合，如圖4插圖. 根據絕緣材料電阻率大于109Ωcm的定義，可以找出MgF2單晶大于109Ωcm的溫度為892 K(即619℃)，此溫度為MgF2單晶耐熱溫度上限，滿足C級絕緣材料的要求.

圖4 MgF2單晶樣品的阻抗譜曲線，插圖是由阻抗譜導出的MgF2單晶樣品電阻率隨溫度變化圖

3 結論

本文提出了采用平行板電容器，用交流阻抗譜測定絕緣材料絕緣性能失效溫度和確定絕緣材料長期使用的安全溫度范圍的方法.若待測絕緣材料是無漏電的理想絕緣體，則在雙對數坐標軸下，阻抗虛部與測量頻率的關系是斜率為-1的直線；待測絕緣材料出現(xiàn)漏電時，阻抗頻率譜從低頻率先開始偏離線性，絕緣性能失效. 由此，可以方便地表征絕緣材料性能失效溫度、絕緣材料能長期使用的安全溫度范圍以及絕性能維持到的溫度上限. 本方法簡單，物理圖像清晰，由此確定的絕緣材料性能參數安全可靠.