高压放大器在聚酰亚胺薄膜外空间电荷测试中的应用
实验名称：聚酰亚胺薄膜外空间电荷测试试验
研究方向：随着我国迈入“十四五”规划和二〇三五年远景目标的重要阶段，各行业各领域对电力能源的依赖程度越来越高。高依赖程度背后伴随而来的是对电力设备可靠性和使用寿命的严峻考验，随着现代电子技术和超/特高压技术的飞速发展，高性能绝缘材料在电子设备和高压电力设备中的应用越来越广泛。据相关统计，电网发生事故的主要原因之一是电力设备出现故障，而其中绝缘材料的损坏又占绝大多数。聚酰亚胺（Polyimide，PI）作为一种具有优良电气性能、高温稳定性、化学稳定性和较高抗水解性的高分子材料，广泛应用于高温电子元件、高压电力设备、飞行器等电气和电子工程领域。然而，随着电气和电子设备的迅速发展，越来越多的设备需要承受更高的电压和电��，这对聚酰亚胺薄膜的绝缘性能提出了更高要求。聚酰亚胺是一种高分子聚合物，其分子主链上含有酰亚胺环结构，图1.1所示为其典型结构式。酰亚胺环结构是一种含有两个酰基（CO）和一个亚胺基（NH）的环状结构，具有较高的稳定性和化学惰性。这种高分子材料通常具有优异的物理性能，如高强度、高模量、高熔点和良好的耐腐蚀性等。
常见的聚酰亚胺薄膜外观表现为浅黄色和棕色等，这取决于其制备工艺和化学结构。在热性能方面，聚酰亚胺薄膜在高温下具有较高的稳定性，能够在400℃以上的高温环境中长期使用。在电气性能方面，聚酰亚胺薄膜具有良好的绝缘性能和抗干扰性能，能够有效隔离电信号并防止电磁干扰。在机械性能方面，聚酰亚胺薄膜具有较高的抗张强度和杨氏模量，在受到较大的应力时仍然保持较好的机械强度。但在实际应用中，聚酰亚胺薄膜在强电场下极易积聚空间电荷，并发生电场畸变，严重时会导致击穿，这严重制约了其在高压电力设备等领域的应用。研究聚酰亚胺薄膜在高电场下的空间电荷效应和击穿特性对于理解其击穿机理、改善其击穿性能、提高电子设备的可靠性具有非常重要的意义。
实验目的：分别对未改性和不同纳米含量的改性聚酰亚胺薄膜的空间电荷分布进行测试验证不同纳米含量下空间电荷的注入量和偏移方向以及偏移程度为后续实验做铺垫。
测试设备：高压放大器、信号发生器、压电传感器、电极系统、放大器、脉冲电源、高频示波器、高压直流电源、保护电阻与耦合电容和屏蔽盒等。
实验过程：压电传感器作为一种通过声波传递信号的传感器，用于检测和反映空间电荷分布信息的压力波。压电传感器输出的微弱电压信号经放大器放大后由示波器进行采集测试，信号发生器产生激励信号经高压放大器放大为PI薄膜试样提供直流极化电��，用于研究在某一特定直流电场下试样内部的空间电荷分布，当试样发生绝缘击穿或其表面发生沿面闪络时，保护电阻具有限制电流并防止因电流过大而烧坏高压放大器的作用，系统测量示意图如图1-1。
图1-1测量系统示意图
实验结果：当PI薄膜两端施加电压后，由于其内部存在电荷注入和偏移，导致薄膜内部的空间电荷分布发生了较大变化。阴阳两极分别注入了不同量的负极性与正极性电荷。随着外部施加电压时间的增长，PI薄膜内部的电荷注入也不断进行，最终导致内部空间电荷的积聚逐渐趋于稳定，测试数据如图2-2。
聚酰亚胺薄膜基体内部一般不具有整齐有序的结构，其能带中往往存在许多陷阱能级。此外，由于其经常工作于多种复杂工况，在各种高温和高电场等外界因素作用下，会发生电老化和热老化，伴随而来的是分子链断裂、出现孔洞等现象。这些变化可能诱发基体内部的浅陷阱变为深陷阱；也可能使得自由电荷入陷变为陷阱电荷（陷阱电子陷阱和空穴）等，导致载流子更容易被陷阱俘获。
图2-2加压30min时电极附近空间电荷密度峰值
还可能使聚酰亚胺薄膜内部增加大量的陷阱电荷，这些陷阱电荷俘获并束缚基体内部的自由电荷，导致空间电荷更容易积聚在聚酰亚胺薄膜的电极端，从而诱发电场畸变。通过纳米粒子对聚酰亚胺薄膜进行结构改性对其电学性质有很大影响。纳米改性对聚酰亚胺薄膜内部空间电荷的积聚有抑制作用。一方面，纳米材料的高比表面积可以提高载流子的表面复合效率，减少电荷的积累和空间电荷效应；另一方面，纳米材料的能带结构和能级分布与半导体材料不同，可以调节半导体材料的电子结构和能带结构，从而减小空间电荷效应的影响。
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