复合材料的介电强度比较研究（击穿电压试验仪）
纳米复合材料与微米复合材料的介电强度比较研究：
图1给出了聚乙烯微米铝复合材料断面的微观结构形态，可以看出微米复合材料的微观结构有以下特点：
（1）颗粒浓度低于8%时分散性较好，分布也比较均匀；
（2）颗粒浓度达到10%，微米颗粒开始表现出团聚现象；
（3）微米颗粒的分布非常不均匀，尤其是当微米颗粒的含量超过10%以后，
从复合材料断面的扫描电镜照片上可以很清楚地看到这一点；
（4）微米颗粒与聚合物间的粘结性较差，在微米颗粒聚集的地方存在着一
些较大的不规则的孔洞，这些孔洞是影响复合材料介电强度的重要原因之一。
根据对图1的观察以及前面几章对于纳米复合材料微结构的讨论，我们可以得出这样一个结论：实现金属颗粒在聚合物基体中的良好分散，保持颗粒与颗粒的有效隔离以及改善金属颗粒与聚合物基体之间的粘结性是提高聚合物金属复合材料介电强度的重要手段。由于聚合物金属复合材料必须具有一定的介电强度才有可能用作电应力控制材料，因此，在设法提高复合材料的介电常数的同时，必须满足以上原则。事实上，人们已经证明提高材料的介电强度与提高介电常数在很多情况下是并不矛盾的。微米复合材料微观结构的结果与直流电导的结果非常吻合，根据图2，微米复合材料在颗粒浓度低于14%时，复合材料的电导随着颗粒含量的增加而增大。但在16－30％的浓度范围内，复合材料的电导与颗粒含量之间并不存在一个确定的变化趋势，而且电流始终是随着时间的增加而减小的，这说明：
（1）在较高浓度下，颗粒分布不均匀，进而造成颗粒之间没有形成接触的导电通路；
（2）复合材料内部特别是颗粒与聚合物的界面之间很可能存在一些气孔，这些气孔影响了颗粒或颗粒簇的彼此接触；以上这两个原因可能导致复合材料内部载流子的通道并不随着颗粒含量的增加而增加，导致电导与颗粒浓度不存在确定的关系。
图2
图3给出了微米复合材料与纳米复合材料的特征击穿强度与颗粒浓度的关
系。可以看出，在低颗粒浓度下（>10%），两种复合材料具有相近的特征击穿强度。颗粒浓度超过10%达到14％时，微米复合材料表现出比纳米复合材料更高的介电强度。颗粒浓度超过14%，微米复合材料也失去了介电强度。这些结果与上述复合材料电导的结果以及微观形态的结果是一致的。
图3
复合材料的介电强度是由材料内部“最弱的区域”决定的，因此上述复合材料的特定击穿强度说明两种复合材料具有相似的弱区域。根据前面的讨论，复合材料的介电强度主要由金属颗粒的分散情况（颗粒团簇尺寸，颗粒团簇的形状等）所决定。微米复合材料在高浓度时失去介电强度的最主要原因是颗粒的不均匀分布，这种不均匀分布一方面产生了大的、不规则的颗粒团簇，另一方面也引入了气孔等缺陷。低颗粒浓度时的两种复合材料的强度相近，说明纳米颗粒在低浓度时并不能在聚乙烯基体中表现出的分散。在2-10%的颗粒浓度区间，微米复合材料的介电强度略高于纳米复合材料这一事实说明，纳米颗粒团簇具有比微米颗粒或微米颗粒团聚体更复杂的形状因子。纳米复合材料在颗粒浓度达到14%时失去了介电强度，根据前面的结果，这与纳米颗粒在聚合物内部形成了桥联通路有关，也进一步说明了纳米颗粒团簇具有更为复杂的形状因子。
综合前面的结果，假设金属颗粒为球形，聚合物金属复合材料的介电强度是由金属颗粒的分布及分散情况决定的，与颗粒本身的尺寸没有必然的关系。通过表面改性提高纳米颗粒的分散与分布以及改善纳米颗粒与聚合物基体的相容性是提高聚合物金属复合材料介电强度的有效手段。
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（2）颗粒浓度达到10%，微米颗粒开始表现出团聚现象；
（3）微米颗粒的分布非常不均匀，尤其是当微米颗粒的含量超过10%以后，
从复合材料断面的扫描电镜照片上可以很清楚地看到这一点；
（4）微米颗粒与聚合物间的粘结性较差，在微米颗粒聚集的地方存在着一
些较大的不规则的孔洞，这些孔洞是影响复合材料介电强度的重要原因之一。
根据对图1的观察以及前面几章对于纳米复合材料微结构的讨论，我们可以得出这样一个结论：实现金属颗粒在聚合物基体中的良好分散，保持颗粒与颗粒的有效隔离以及改善金属颗粒与聚合物基体之间的粘结性是提高聚合物金属复合材料介电强度的重要手段。由于聚合物金属复合材料必须具有一定的介电强度才有可能用作电应力控制材料，因此，在设法提高复合材料的介电常数的同时，必须满足以上原则。事实上，人们已经证明提高材料的介电强度与提高介电常数在很多情况下是并不矛盾的。微米复合材料微观结构的结果与直流电导的结果非常吻合，根据图2，微米复合材料在颗粒浓度低于14%时，复合材料的电导随着颗粒含量的增加而增大。但在16－30％的浓度范围内，复合材料的电导与颗粒含量之间并不存在一个确定的变化趋势，而且电流始终是随着时间的增加而减小的，这说明：
（1）在较高浓度下，颗粒分布不均匀，进而造成颗粒之间没有形成接触的导电通路；
（2）复合材料内部特别是颗粒与聚合物的界面之间很可能存在一些气孔，这些气孔影响了颗粒或颗粒簇的彼此接触；以上这两个原因可能导致复合材料内部载流子的通道并不随着颗粒含量的增加而增加，导致电导与颗粒浓度不存在确定的关系。
图2
图3给出了微米复合材料与纳米复合材料的特征击穿强度与颗粒浓度的关
系。可以看出，在低颗粒浓度下（>10%），两种复合材料具有相近的特征击穿强度。颗粒浓度超过10%达到14％时，微米复合材料表现出比纳米复合材料更高的介电强度。颗粒浓度超过14%，微米复合材料也失去了介电强度。这些结果与上述复合材料电导的结果以及微观形态的结果是一致的。
图3
复合材料的介电强度是由材料内部“最弱的区域”决定的，因此上述复合材料的特定击穿强度说明两种复合材料具有相似的弱区域。根据前面的讨论，复合材料的介电强度主要由金属颗粒的分散情况（颗粒团簇尺寸，颗粒团簇的形状等）所决定。微米复合材料在高浓度时失去介电强度的最主要原因是颗粒的不均匀分布，这种不均匀分布一方面产生了大的、不规则的颗粒团簇，另一方面也引入了气孔等缺陷。低颗粒浓度时的两种复合材料的强度相近，说明纳米颗粒在低浓度时并不能在聚乙烯基体中表现出的分散。在2-10%的颗粒浓度区间，微米复合材料的介电强度略高于纳米复合材料这一事实说明，纳米颗粒团簇具有比微米颗粒或微米颗粒团聚体更复杂的形状因子。纳米复合材料在颗粒浓度达到14%时失去了介电强度，根据前面的结果，这与纳米颗粒在聚合物内部形成了桥联通路有关，也进一步说明了纳米颗粒团簇具有更为复杂的形状因子。
综合前面的结果，假设金属颗粒为球形，聚合物金属复合材料的介电强度是由金属颗粒的分布及分散情况决定的，与颗粒本身的尺寸没有必然的关系。通过表面改性提高纳米颗粒的分散与分布以及改善纳米颗粒与聚合物基体的相容性是提高聚合物金属复合材料介电强度的有效手段。
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