實驗名稱：聚酰亞胺薄膜外空間電荷測試試驗

研究方向：隨著我國邁入“十四五”規劃和二〇三五年遠景目標的重要階段，各行業各領域對電力能源的依賴程度越來越高。高依賴程度背后伴隨而來的是對電力設備可靠性和使用壽命的嚴峻考驗，隨著現代電子技術和超/特高壓技術的飛速發展，高性能絕緣材料在電子設備和高壓電力設備中的應用越來越廣泛。據相關統計，電網發生事故的主要原因之一是電力設備出現故障，而其中絕緣材料的損壞又占絕大多數。聚酰亞胺（Polyimide，PI）作為一種具有優良電氣性能、高溫穩定性、化學穩定性和較高抗水解性的高分子材料，廣泛應用于高溫電子元件、高壓電力設備、飛行器等電氣和電子工程領域。然而，隨著電氣和電子設備的迅速發展，越來越多的設備需要承受更高的電壓和電場，這對聚酰亞胺薄膜的絕緣性能提出了更高要求。聚酰亞胺是一種高分子聚合物，其分子主鏈上含有酰亞胺環結構，圖1.1所示為其典型結構式。酰亞胺環結構是一種含有兩個酰基（CO）和一個亞胺基（NH）的環狀結構，具有較高的穩定性和化學惰性。這種高分子材料通常具有優異的物理性能，如高強度、高模量、高熔點和良好的耐腐蝕性等。

常見的聚酰亞胺薄膜外觀表現為淺黃色和棕色等，這取決于其制備工藝和化學結構。在熱性能方面，聚酰亞胺薄膜在高溫下具有較高的穩定性，能夠在400℃以上的高溫環境中長期使用。在電氣性能方面，聚酰亞胺薄膜具有良好的絕緣性能和抗干擾性能，能夠有效隔離電信號并防止電磁干擾。在機械性能方面，聚酰亞胺薄膜具有較高的抗張強度和楊氏模量，在受到較大的應力時仍然保持較好的機械強度。但在實際應用中，聚酰亞胺薄膜在強電場下極易積聚空間電荷，并發生電場畸變，嚴重時會導致擊穿，這嚴重制約了其在高壓電力設備等領域的應用。研究聚酰亞胺薄膜在高電場下的空間電荷效應和擊穿特性對于理解其擊穿機理、改善其擊穿性能、提高電子設備的可靠性具有非常重要的意義。

實驗目的：分別對未改性和不同納米含量的改性聚酰亞胺薄膜的空間電荷分布進行測試驗證不同納米含量下空間電荷的注入量和偏移方向以及偏移程度為后續實驗做鋪墊。

測試設備：高壓放大器、信號發生器、壓電傳感器、電極系統、放大器、脈沖電源、高頻示波器、高壓直流電源、保護電阻與耦合電容和屏蔽盒等。

實驗過程：壓電傳感器作為一種通過聲波傳遞信號的傳感器，用于檢測和反映空間電荷分布信息的壓力波。壓電傳感器輸出的微弱電壓信號經放大器放大后由示波器進行采集測試，信號發生器產生激勵信號經高壓放大器放大為PI薄膜試樣提供直流極化電場，用于研究在某一特定直流電場下試樣內部的空間電荷分布，當試樣發生絕緣擊穿或其表面發生沿面閃絡時，保護電阻具有限制電流并防止因電流過大而燒壞高壓放大器的作用，系統測量示意圖如圖1-1。

圖1-1測量系統示意圖

實驗結果：當PI薄膜兩端施加電壓后，由于其內部存在電荷注入和偏移，導致薄膜內部的空間電荷分布發生了較大變化。陰陽兩極分別注入了不同量的負極性與正極性電荷。隨著外部施加電壓時間的增長，PI薄膜內部的電荷注入也不斷進行，最終導致內部空間電荷的積聚逐漸趨于穩定，測試數據如圖2-2。

聚酰亞胺薄膜基體內部一般不具有整齊有序的結構，其能帶中往往存在許多陷阱能級。此外，由于其經常工作于多種復雜工況，在各種高溫和高電場等外界因素作用下，會發生電老化和熱老化，伴隨而來的是分子鏈斷裂、出現孔洞等現象。這些變化可能誘發基體內部的淺陷阱變為深陷阱；也可能使得自由電荷入陷變為陷阱電荷（陷阱電子陷阱和空穴）等，導致載流子更容易被陷阱俘獲。

圖2-2加壓30min時電極附近空間電荷密度峰值

還可能使聚酰亞胺薄膜內部增加大量的陷阱電荷，這些陷阱電荷俘獲并束縛基體內部的自由電荷，導致空間電荷更容易積聚在聚酰亞胺薄膜的電極端，從而誘發電場畸變。通過納米粒子對聚酰亞胺薄膜進行結構改性對其電學性質有很大影響。納米改性對聚酰亞胺薄膜內部空間電荷的積聚有抑制作用。一方面，納米材料的高比表面積可以提高載流子的表面復合效率，減少電荷的積累和空間電荷效應；另一方面，納米材料的能帶結構和能級分布與半導體材料不同，可以調節半導體材料的電子結構和能帶結構，從而減小空間電荷效應的影響。

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審核編輯 黃宇