塑料电性能测试实验

电性能一、介电强度和耐电压实验1.实验目的○1.了解测定高分子材料介电强度和耐电压值的基本原理○2.掌握高分子材料材料介电强度和耐电压值的测定方法2.实验原理本方法是用连续均匀升压或者逐级升压的方法，对试样施加交流电压，直至击穿，测出击穿电压值，计算试样的介电强度，用迅速升压的方法，将电压升到规定值，保持一定的时间试样不击穿，记录电压值和时间，即为此试样的耐电压值，以千伏和分表示。本方法适用于固体电工绝缘材料如绝缘漆、树脂和胶、浸渍纤维制品、层压制品、云母及其制品、塑料、薄膜复合制品、陶瓷和玻璃等在工频电压下击穿电压，介电强度和耐电压值的测试。对有些绝缘材料如橡胶以及橡胶制品，薄膜等的上述性能实验，可按照有关标准或者参考本标准进行。3.实验试样本次实验采用多型腔圆片模具注塑成型的高密度聚乙烯圆片试样，试样尺寸直径为120mm，试样外观：表面要平整、均匀、没有裂纹、气泡和机械等缺陷试样数量：不得少于3个4.实验设备轻型高压实验变压器YDQ10/100放电球隙测压器规格Φ100M/m(泸州试验变压器厂)1台球形电极游标卡尺1条5.实验操作①按连续均匀开压法，先安装好式样，即将HDPE圆片放在2球中间夹住；②通过变压器控制器连续升压，直到听到击穿的声响，电压表指针所指最大值即为击穿电压。6.实验结果序号厚度第一次(mm)厚度第二次(mm)厚度第三次(mm)平均厚度(mm)电压(千伏)介电强度KV/mm13.163.203.223.19257.8423.223.243.243.23257.7433.223.203.183.20268.1343.163.163.183.17278.5253.223.243.243.23309.047.思考讨论1.用不同的试样制备方法所得试样测试结果有何不同？为什么？答：用不同的试样制备方法制得的试样，其均匀性密度及杂质含量会有所不同，而这些都会使击穿电压发生变化。2试样中的含水量对测定结果有何影响？答：由于水未及性分子在交变电场作用下十分活跃，会加速试样的击穿，也就是说降低试样的介电强度。含水率越大，水份越多，能明显增加高聚物导电的极性杂质。3.实验条件对实验有何影响？如何影响？答：在较低温度段下的升高，一方面使聚合物的粒度降低，极性链的活动增强，导电能力增加，击穿强度降低；另一方面，在较高的温度段下，分子热运动加剧，对偶极转动干扰增加，使极化减弱，导电能力下降，击穿强度增大。环境温度下升高，使得空气中的分子增多，由于湿空气中的水分子被吸附于电介质的表面，形成一层很薄的膜，同时水又是半导体，所以击穿强度增大。二、介电强度和介电损耗正切的测定1.实验目的①了解测定高分子材料介电常数和介电损耗角正切测定的基本原理②掌握高分子材料材料介电常数和介电损耗角正切测定的测定方法2.实验原理介电常数是表征绝缘材料在交流电场下，介质极化程度的一个参数，它是充满此绝缘材料的电容器的电容量与以真空为电介质时同样电极尺寸的电容器的电容量的比值。介质损耗角正切是表征该绝缘材料在交流电场下能量损耗的一个参数，是外施正弦电压与通过试样的电流之间的相对的余角正切。测定高分子材料介电常数和介电损耗角正切实验方法有：工频高压电桥法和变电纳法。本实验采用工频高压电桥法。其工作原理为：被测试样与无损耗标准电容Co是电桥的两相邻桥臂，桥臂R3是无感电阻，与它相邻的臂由电容C4和恒定电阻R4并联构成。在电阻R4的中点和屏蔽间接有一可调电容Ca来完成线路的对称操作。线路的对称在这里理解为使“臂R3对屏蔽”及“臂R4对屏蔽”的寄生电容固定且相等。由于电阻线圈R3中的金属线比电阻R4长得多，臂R3的寄生电容也将大于臂R4的寄生电容。附加电容Ca可以增大臂R4的电容泄漏，使其数值与臂R3的泄漏相等。臂Ca和Co的寄生电容不大，因此不用对他们加以平衡。保护电压e的作用是消除放大器P处顶点可能存在的泄漏电流，为此e是一个将桥P处顶点的电位引向地电位的装置。这主类电桥平衡后必然有：Zx·Z4＝Zs·Z3……（3-45）其中Zx＝j/(ωCx)Zs＝j/(ωCs)Z3=R3Z4=[（1/R4）+jωC4]-1由平衡条件及tgδ定义可计算出：tgδ=2πfC4·R4·10-12当f＝50Hz，R4＝10000/πΩ时，有tgδ=C4·10-6，即可用C4直接表示tgδ值。根据式（3-45）计算可得到：C4=C3·(R4/R3)·[1+(1/tg2δ)]ε＝Cs/Co本方法适用于测试固体电工绝缘材料如绝缘漆、树脂和胶、浸渍纤维制品、层压制品、云母及其制品、塑料、薄膜复合制品、陶瓷和玻璃等的相对介电常数与介质损耗角正切以及由它们计算出来的相关参数，例如损耗因素。对有些绝缘材料如橡胶以及橡胶制品，薄膜等的上述性能实验，可按照有关标准或者参考本标准进行。3.实验试样本次实验采用多型腔圆片模具注塑成型的高密度聚乙烯圆片试样.直径120mm厚度3mm(由材料形状,电极选二电极,板状电极)4.实验设备QSI型交流电桥兴电力设备有限公司生产电极采用板状圆形电极游标卡尺1条5.实验数据序号Ca0ξ152.352.20252.671.90352.671.64序号R3(Ω)tgδt1138545.43.322158745.33.303183840.53.306.思考题1.实验要求试样厚度不大于3mm的原因?答：试样的厚度如果大于3mm，为了测得他的介电常数，需要一个很高的电压，这样使得设备条件更加苛刻，实验环境也不安全。2.试样中含有杂质的测试结果?答：介电系数增大，导电介质或极性杂质的存在，会增加高聚物的导电电流和极化率，因而使介电损耗增大，特别是对于非极性高聚物来说，杂质成了引起介电损耗的主要原因。3．实验环境条件如温度、湿度对测定结果的影响。温度：温度变化会引起高聚物的粘度变化，因而极化建立过程所需要的时间也起变化。温度对取向极化（介电常数）有两种相反的作用，一方面温度升高，分子间相互作用减弱，粘度下降，使偶极转动取向容易进行，介电常数增加；另一方面，温度升高，分子热运动加剧，对偶极转动干扰增加，使极化减弱，介电系数下降。对于一般的高聚物来说，在温度不太高时，前者占主导地位，因而温度升高，介电常数增大，到一定范围，后者超过前者，介电常数即开始随温度升高而减小。湿度：湿度越大，水分越多，能明显增加高聚物介电损耗的极性杂质。在低频下，它主要以离子电导形式增加电导电流，引起介电损耗；在微波频率范围，水分子本身发生偶极松弛，出现损耗峰。对于极性高聚物，水有不同程度的增塑作用，尤其是聚酰胺类和聚丙烯酸酯类等，结果将使高聚物的介电损耗峰向较低温度移动。水对热固性塑料也有影响。三、体积电阻率和表面电阻率测定1.实验目的①了解测定高分子材料体积电阻率和表面电阻率测定的基本原理②掌握高分子材料体积电阻率和表面电阻率测定的测定方法2.实验原理该方法是对试样施加直流电压，采用高阻计或检流计测定试样体积电流方向的直流电场强度和该处电流密度。直流电场强度与该处电流密度之比，即为体积电阻率数率（或体积电阻系数），以Ω·cm表示；沿试样表面电流方向的直流电场强度与单位长度的表面传导电流之比，即为表面电阻率系数（或表面电阻系数），以Ω表示。本方法适用于测试固体电工绝缘材料如绝缘漆、树脂和胶、浸渍纤维制品、层压制品、云母及其制品、塑料、薄膜复合制品、陶瓷和玻璃等的体积电阻系数和表面电阻系数的测试。对有些绝缘材料如橡胶以及橡胶制品，薄膜等的上述性能实验，可按照有关标准进行。3.实验试样本次实验采用多型腔圆片模具注塑成型的高密度聚乙烯圆片试样，直径120mm.，试样表面平整均匀，无裂纹，无气泡和机械杂质等。4.实验设备高阻计2C36型上海精科六表耐压试验器定号601103容量500伏安输入电压220伏单相50~输出电压1~10KV,0.05A上海电巩变压器厂游标卡尺1条电极(由材料形状选择板状电极)5.实验方法用高阻计法，将充分放电后的试样，接入仪器测量端调节仪器，按说明操作。6.实验数据序号Rs(×109.MΩ)Rv(×109.MΩ)198.527.9837.67.2序号Ρv(Ω·cm)Ρs(Ω·cm)1521.421.45×1032500.131.27×1033455.921.22×1037.思考题1.试样表面的光洁度对测量结果有无影响？为什么？答：有，因为如果材料表面不光洁的话，两个电极就不能很好的平行排列，电极之间也形不成直线的直流场强，实验测得的数据会有很大的误差。2.测试环境温度对测定结果有无影响？为什么？答：非极性有机电介质中不存在本征离子,导电载流子来源于杂质,如来自各种添加剂、加工过程混入的杂物以及吸收的水分等。所有这些可离解的分子,由于热运动给予的能量使之离解,但同时已离解的正负离子又可能重新复合为分子。在一定温度下,当这两种过程的速度相等时,达到动平衡状态,但当温度继续升高时,分子的离解远大于复合,离子运动加速,使电导占主要地位,所以试样电阻率就下降。3.材料的分子结构和聚集态结构与材料的体积电阻、表面电阻有何关系？举例说明。答：分子结构是决定高聚物导电性的内在因素，也是最重要的因素。饱和的非极性高聚物具有最好的电绝缘性能。它们的结构本身既不能产生导电离子，也不具备电子电导的结构条件，比如聚四氟乙烯、聚乙烯电阻率高达1016Ω·M；极性高聚物次之，极性高聚物可能发生微量的本征解离，提供本征的导电离子，如聚砜，聚酰胺和聚氯乙烯的电阻率约在1012～1015Ω·M；共轭高聚物是高分子半导体材料，由于π电子在共轭体系内的去定域化，提供了大量的电子载流子，而且，这些π电子在共轭体系中又有很高的迁移率，使这类材料的电阻大幅度降低，如氮化硫（SN）电导率高达105Ω-1·M-1。结晶和取向使绝缘高聚物的电导率下降，因为在这些高聚物中，主要是离子电导，结晶和取向使分子紧密堆砌，自由体积减小，因而离子迁移率下降。如聚三氟氯乙烯结晶度从10%到50%时，电导率下降100-1000倍。但是对于电子电导的高聚物，正好相反，结晶中分子的紧密整齐堆砌，有利分子间电子的传递，电导率将随结晶度的增加而升高。交联使高分子链段的活动性降低，自由体积减少，因而离子电导下降。电子电导则可能因分子间键桥为电子提供分子间的通道而增加。