溫度和頻率對環(huán)氧樹脂/碳化硅晶須復合材料交流非線性特性的影響

陳向榮 黃小凡 王啟隆 王恩哲 張?zhí)碡?/p>

溫度和頻率對環(huán)氧樹脂/碳化硅晶須復合材料交流非線性特性的影響

陳向榮1,2,3黃小凡1,2王啟隆1,2王恩哲1張?zhí)碡?

（1. 浙江大學電氣工程學院 杭州 310027 2. 浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心 杭州 311200 3. 浙江大學先進電氣國際研究中心 海寧 314400）

為了研究不同溫度和頻率下的交流非線性電導和介電性能，該文制備了純環(huán)氧及不同摻雜質(zhì)量分數(shù)的環(huán)氧樹脂/碳化硅晶須復合材料，分別使用透射電子顯微鏡、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、動態(tài)熱機械分析儀和差示掃描量熱儀研究了碳化硅晶須填料的改性效果、試樣的斷面微觀形貌、填料和試樣的物相結(jié)構(gòu)信息、試樣的熱機械特性和試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，通過介電譜儀偏壓模塊測試了材料的交流電導率和介電常數(shù)，分析了溫度和頻率對材料交流非線性電導和介電特性的影響。結(jié)果表明：對于相同摻雜質(zhì)量分數(shù)的環(huán)氧樹脂/碳化硅晶須復合材料，在相同頻率下，隨著溫度的升高，其非線性交流電導率系數(shù)減小，非線性介電常數(shù)系數(shù)、非線性交流電導率開關場強和非線性介電常數(shù)開關場強均增大；在相同溫度下，隨著頻率的增加，其非線性交流電導率系數(shù)和非線性介電常數(shù)系數(shù)均減小，非線性交流電導率開關場強和非線性介電常數(shù)開關場強均增大。不同溫度和頻率下的非線性電導特性和非線性介電特性的產(chǎn)生機理分別通過雙肖特基勢壘模型和界面電荷弛豫模型進行解釋。研究結(jié)果為EP/SiCw復合材料的高溫高頻應用提供了實驗和理論依據(jù)。

環(huán)氧樹脂 復合材料 交流非線性特性 溫度 頻率

0 引言

近年來，碳化硅（Silicon Carbide，SiC）寬帶隙電力電子功率模塊正逐漸向高電壓、大電流和小型化方向發(fā)展[1-2]。環(huán)氧樹脂（Epoxy resin，EP）因其優(yōu)異的電氣和力學性能被廣泛用作電力電子功率模塊封裝材料以及高壓設備的主要絕緣材料[3]。然而，功率模塊封裝結(jié)構(gòu)中通過活性金屬釬焊方法生產(chǎn)的覆銅陶瓷基板在其表面金屬化層底部形成了金屬突起[4]，即陶瓷基板、封裝材料和金屬化層的三結(jié)合點。這種金屬突起三結(jié)合點會在模塊封裝結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生高電應力，容易形成局部放電，導致封裝材料劣化，甚至使功率模塊失效[5]。因此，削弱模塊封裝結(jié)構(gòu)中三結(jié)合點處的電場強度，提高封裝材料的絕緣強度，是保障功率模塊安全可靠運行的關鍵問題之一。

采用非線性場梯度復合材料削弱高場區(qū)域的電場強度，或摻雜納米填料提高封裝材料的介電強度，是實現(xiàn)絕緣材料高場運行的常用方法。當外施場強大于開關場強時，非線性材料的直流電導率或介電常數(shù)可隨場強增大而非線性地增大，從而削弱三結(jié)合處的場強，提高高壓功率模塊的封裝可靠性[6-7]。通過將SiC、氧化鐵（FeO）和氧化鋅（ZnO）等半導電填料引入聚合物基體制備的非線性電導材料，可用于抑制電纜附件、發(fā)電機線圈、電機定子線棒、氣體絕緣金屬封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）/氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated Transmission Line, GIL）絕緣子等設備中的電場畸變[8-9]。然而，目前在高壓功率模塊中應用非線性電導材料的文獻較少，與線性高阻材料作為封裝結(jié)構(gòu)中三結(jié)合點的包覆層相比[10]，非線性電導材料產(chǎn)生的損耗主要在高電場區(qū)域中產(chǎn)生，而非永久性產(chǎn)生[11]。

西安交通大學李禾等[12]研究了石墨烯/環(huán)氧復合材料的非線性電導機理，發(fā)現(xiàn)其在高場區(qū)的非線性電導機理受空間電荷限制電流效應和隧穿效應的共同影響。西安交通大學劉晨陽等[13]認為在半導電填料界面的局部強場作用下，使大量載流子通過隧穿效應直接穿過界面勢壘在填料之間傳遞，從而產(chǎn)生非線性電導效應。哈爾濱理工大學韓永森等[14]研究發(fā)現(xiàn)微納米SiC/EP復合材料的非線性電導系數(shù)和開關電場強度大于微米SiC/EP復合材料。哈爾濱理工大學遲慶國等[15]發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑改性后的碳化硅晶須（Silicon Carbide whisker, SiCw）與環(huán)氧樹脂基體的相容性更好，可以在填料低摻雜的情況下實現(xiàn)非線性電導特性，然而未對SiCw/EP復合材料在不同溫度下的非線性電導形成機理展開深入研究，也并未對SiCw/EP復合材料在不同溫度和頻率下的非線性介電特性進行研究。此外，SiCw具有較大的縱橫比，容易相互搭接構(gòu)建導電通路，與顆粒狀的SiC填料相比，SiCw可以在低填料含量下產(chǎn)生非線性電導特性[16]。

上述文獻主要報道了非線性材料在直流電場下的非線性電導特性。然而，高壓功率模塊不僅工作在直流工況，也工作在不同溫度和頻率的交流工況[17]，因此研究非線性封裝材料在不同溫度和頻率的交流非線性電導特性和介電特性具有重要的理論意義和工程應用價值。目前，關于交流工況下非線性電導和介電特性的研究較少，德國達姆施塔特工業(yè)大學S.Blatt等[18]對具有非線性交流電導和介電特性的ZnO/SiR復合材料建立了數(shù)學模型，對比了其非線性特性的實驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果，表明該模型可以準確計算非線性材料的總電流。清華大學Gao Lei等[19]研究了ZnO/SiR復合材料在100Hz下的非線性交流電導和介電特性，發(fā)現(xiàn)體積分數(shù)為30%填料的試樣不具有非線性電導率，而表現(xiàn)出穩(wěn)定的非線性介電特性，并提出了界面勢壘層電容模型來解釋非線性介電特性隨場強的變化。清華大學Yang Xiao等[20]研究了ZnO/SiR復合材料在不同摻雜濃度和頻率下的交直流非線性電導和介電特性，發(fā)現(xiàn)交流非線性電導率和介電常數(shù)的開關場強均小于直流非線性電導率和介電常數(shù)。

本文制備了純環(huán)氧及摻雜質(zhì)量分數(shù)為1%、2%、3%、4%和5%的EP/SiCw復合材料，對KH560表面改性前后的SiCw填料進行了透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）形貌表征和X射線衍射儀（X-ray Diffraction，XRD）晶體結(jié)構(gòu)分析，對試樣進行了場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）斷面微觀形貌表征和XRD物相結(jié)構(gòu)信息分析，采用動態(tài)熱機械分析儀（Dynamic Mechanical Analysis, DMA）分析了材料的熱機械特性并獲得了熱膨脹系數(shù)，利用差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimeter, DSC）研究了材料的DSC曲線并獲得了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，采用Novocontrol Concept 80寬溫寬頻介電譜分析儀的交流偏壓模塊測試了不同溫度和頻率下復合材料的交流電導率和介電常數(shù)，利用雙肖特基勢壘模型分析了溫度和頻率對復合材料非線性交流電導的影響，提出界面電荷弛豫模型，解釋了溫度和頻率對復合材料非線性介電特性的作用機制。

1 試樣制備及實驗方法

1.1 試樣制備

本文選用E—51雙酚A型環(huán)氧樹脂作為復合材料基體，由杭州五會港膠粘劑有限公司供應。固化劑為甲基六氫苯酐（MHHPA），促進劑為2, 4, 6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30），環(huán)氧樹脂、固化劑和促進劑的質(zhì)量配比為100:85:2。硅烷偶聯(lián)劑為KH560，由中國常州潤祥化工有限公司供應。SiCw的直徑為100～500nm，長度為2～10μm，純度為98%，由中國上海麥克林生化有限公司供應。本文選擇的SiCw晶型是β型，其非線性電導特性優(yōu)于α型[16]。

樣品制備過程：首先在40℃下采用KH560通過脫水縮合反應對SiCw進行表面改性；其次通過超聲和磁力攪拌將不同質(zhì)量分數(shù)的表面改性SiCw與EP-51、MHHPA和DMP-30進行混合；接著將混合完成的混合物在50℃的真空烘箱中脫氣30min；最后將混合物倒入預先噴涂脫模劑的模具中，在80℃下預固化3h，然后在130℃下固化2h，得到純環(huán)氧樹脂試樣及1%、2%、3%、4%和5% SiCw摻雜的環(huán)氧復合材料試樣，分別記為EP0、EP1、EP2、EP3、EP4和EP5。試樣為圓盤狀，厚度和直徑分別為0.2mm和60mm。

1.2 實驗方法

試樣SEM微觀斷面形貌通過日本Hitachi公司生產(chǎn)的SU-8010 FESEM設備進行表征，設備最高分辨率為10nm，測量電壓為1kV。采用日本日立公司（HT—7700）型120kV透射電子顯微鏡分析SiCw在表面改性前后的形貌特性和表面改性效果。將改性前后的SiCw用無水乙醇進行超聲分散后，滴在碳膜襯底表面，待無水乙醇揮發(fā)后進行TEM觀測，選用的電子發(fā)射加速電壓為100kV。

采用日本島津（XRD—6000）型X射線衍射儀分析表面改性前后的SiCw填料、純環(huán)氧、不同摻雜質(zhì)量分數(shù)的EP/SiCw復合介質(zhì)物相結(jié)構(gòu)信息，掃描模式為Theta-2Theta，工作電壓為40kV，工作電流為40mA。

采用美國TA（TAQ 800）型帶環(huán)境調(diào)控的動態(tài)熱機械分析儀分析純EP和EP/SiCw復合材料在30～160℃的熱機械特性，升溫速率為5℃/min，試樣兩端被施加5 mN的輕微應力以保證試樣處于拉緊的狀態(tài)且未發(fā)生明顯變形。

采用美國TA（Q 200）型差示掃描量熱儀分析純EP和EP/SiCw復合材料在50～190℃的DSC曲線，升溫速率為5℃/min。

不同電場強度、溫度和頻率下的交流電導率和介電常數(shù)通過Novocontrol Concept 80寬溫寬頻介電譜分析儀的交流偏壓模塊進行測量，測試電場強度為0.5～9.5kV/mm，步長為0.5kV/mm，測試溫度為50℃、100℃和150℃，測試頻率為1Hz、50Hz、500Hz、1kHz和10kHz。

2 實驗結(jié)果

2.1 填料改性效果TEM分析

圖1a為未改性SiCw填料在5μm分辨率時的整體TEM圖，填料長度為2～10μm，大部分填料明顯團聚，說明未改性SiCw在無水乙醇極性溶劑中分散效果較差；圖1b為未改性SiCw填料在50nm分辨率時的邊緣放大TEM圖，未改性SiCw填料的邊緣光滑平整，未出現(xiàn)有機物包覆層；圖1c為改性SiCw填料在5μm分辨率時的整體TEM圖，單根SiCw清晰可見，表明改性后SiCw在極性溶劑中分散效果較好；圖1d為改性SiCw填料在50nm分辨率時的邊緣放大TEM圖，發(fā)現(xiàn)其表面有機包覆層的厚度為5～10nm，證明SiCw填料的KH560表面改性是成功的。此外，SiCw表面的有機包覆層使其與極性溶劑產(chǎn)生較好的親合力，促進了SiCw填料的均勻分布。

圖1 改性前后SiCw填料的整體與邊緣放大TEM圖

2.2 斷面微觀形貌SEM表征

純環(huán)氧及不同摻雜質(zhì)量分數(shù)的EP/SiCw復合材料的斷面微觀SEM圖如圖2所示。由圖2a可知，純環(huán)氧斷面光滑，且在制備過程中沒有引入任何雜質(zhì)。由圖2b～圖2f可知，隨著SiCw質(zhì)量分數(shù)的增加，EP/SiCw復合材料的斷面變得更加粗糙，并且可以從中觀察到與EP基體緊密結(jié)合的SiCw，這表明表面改性的SiCw填料與EP基體具有較強的界面相容性。由圖2b可知，SiCw均勻地分散在EP基體中，沒有出現(xiàn)團聚，說明SiCw表面改性成功。由圖2c可知，雖然少量SiCw填料之間發(fā)生相互接觸，但并未形成相互搭接的SiCw通道。由圖2d可知，EP3局部區(qū)域中出現(xiàn)了SiCw通道。由圖2e和圖2f可知，EP4和EP5中的SiCw分布呈現(xiàn)出明顯的相互搭接通道。

2.3 X射線衍射分析

SiCw填料在表面改性前后的XRD圖譜如圖3a所示。SiCw在表面改性前后的特征衍射峰均出現(xiàn)在2=35.64°, 41.41°, 60.09°, 71.85°, 75.59°位置上，對應的衍射晶面分別為(111)、(200)、(220)、(311)和(222)，SF衍射峰一般是由堆積缺陷所引起[21]。SiCw在改性前后的衍射峰完全重合，且無新衍射峰形成，改性前后的SiCw均表現(xiàn)為β晶型[16]，表明KH560表面改性對SiCw的晶體結(jié)構(gòu)沒有明顯影響，與文獻[15]中結(jié)果基本一致。

圖3 表面改性前后SiCw填料、純EP及EP/SiCw復合材料的XRD圖譜

純EP及EP/SiCw復合材料的XRD圖譜如圖3b所示。EP/SiCw復合材料僅存在純EP和SiCw的XRD衍射峰，且未生成新衍射峰，說明SiCw填料的添加未改變EP內(nèi)部分子鏈的堆積結(jié)構(gòu)，SiCw的晶體結(jié)構(gòu)也未受到EP分子鏈的影響。與純EP相比，EP/SiCw復合材料中的EP衍射峰值下降，說明SiCw填料的添加降低了EP分子鏈的堆積密度。

采用日本日立公司（HT—7700）型120kV透射電子顯微鏡（TEM）分析SiCw在表面改性前后的形貌特性和表面改性效果。將改性前后的SiCw用無水乙醇進行超聲分散后，滴在碳膜襯底表面，待無水乙醇揮發(fā)后進行TEM觀測，選用的電子發(fā)射加速電壓為100kV。

2.4 熱機械性能分析

隨著溫度升高，試樣發(fā)生熱膨脹而導致其長度不斷增大，試樣相對長度變化量Δ/（長度變化量/初始長度）隨溫度的變化如圖4a所示。由圖4a可知，溫度小于120℃時的Δ/變化率明顯小于溫度大于140℃時的Δ/變化率，當溫度為120℃～140℃時，Δ/出現(xiàn)顯著的暫態(tài)變化，對應于純EP和EP/SiCw復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變。因此可以認為在50℃和100℃時EP分子鏈運動較為緩慢，而在150℃時玻璃化轉(zhuǎn)變導致EP分子鏈產(chǎn)生劇烈的弛豫運動，使EP/SiCw復合材料基體發(fā)生嚴重變形，可能對SiCw導電路徑產(chǎn)生破壞，從而使玻璃化轉(zhuǎn)變前后的非線性電導機理不同。

材料在某一溫度下的Δ/曲線斜率表示這一溫度下的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion,CTE）值，可由式（1）進行計算。

式中，()為溫度下的CTE值。純EP和EP/SiCw復合材料在50℃、100℃和150℃下的CTE值如圖4b所示。

由圖4b可知，純EP在50℃、100℃和150℃的CTE均大于EP/SiCw復合材料。對于這三個溫度，隨著填料濃度的增大，EP/SiCw復合材料的CTE均先減小后增大，其中EP4的CTE最低。此外，隨著溫度的升高，純EP和EP/SiCw復合材料的CTE均增大。這是因為SiCw的添加限制了EP分子鏈的運動，又因為SiCw自身的CTE也低于EP基體，從而減小了EP/SiCw復合材料的CTE。此外，過量的SiCw摻雜容易形成團聚，從而在EP基體中引入更多的界面缺陷，導致填料與基體的結(jié)合力減弱，從而導致CTE增大（如EP5）。

2.5 DSC分析

為了進一步明確純EP和EP/SiCw復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度g，測量了純EP和EP/SiCw復合材料在50～190℃范圍內(nèi)的DSC曲線，如圖5所示。由圖5可知，隨著SiCw摻雜質(zhì)量分數(shù)增大，g先增大后減小，其中EP2具有最大的g，為136.8℃。EP/SiCw復合材料的g大于純EP，所有測試材料的g范圍為120～140℃，與圖4a中Δ/曲線的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)間相符合。當摻雜質(zhì)量分數(shù)為2%時，引入的SiCw填料在EP基體內(nèi)具有較好的分散性，可以束縛更多的EP分子鏈，阻礙EP分子鏈在高溫下的弛豫運動，從而增大g；然而隨著摻雜質(zhì)量分數(shù)的增大，不僅形成了更多的SiCw團聚體，而且大量的SiCw填料也導致EP基體分子鏈的交聯(lián)度下降，從而使g減小，可見適量的SiCw摻雜可以提高EP復合材料的g。

圖5 純EP和EP/SiCw復合材料的DSC曲線

2.6 非線性交流電導率

50℃時純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在1Hz、50Hz、500Hz、1kHz和10kHz下的交流電導率與電場強度關系如圖6所示。由圖6a可知，純環(huán)氧在所有測量頻率下的交流電導率基本保持穩(wěn)定，與電場強度大小無關。由圖6b可知，除1Hz外，EP1在其余頻率下交流電導率均與電場強度無關，由SEM圖可知，EP1中SiCw未形成相互接觸的導電通路，因此其在1Hz下隨電場強度略微增加的交流電導率來源于SiCw表面的極化，與非線性電導無關[22]。

圖6 50℃時純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在不同頻率下交流電導率與電場強度的關系

由圖6c可知，EP2的交流電導率在1kHz和500Hz下開始呈現(xiàn)非線性增長。由圖6d可知，EP3的交流電導率在1kHz和500Hz下分別于1.6kV/mm和1.2kV/mm開始呈現(xiàn)非線性增長，非線性電導率開始出現(xiàn)的電場強度被稱為“開關場強”[23]。EP3在50Hz和1Hz下表現(xiàn)出非線性電導，但無法觀測到對應的開關場強，這是因為開關場強小于0.2kV/mm，不處于本文選取的場強區(qū)間內(nèi)。這說明相比于高頻下的非線性電導特性，低頻下的非線性電導特性表現(xiàn)為左移（向低場強方向移動）。其余頻率下的電導率隨著電場強度的變化趨勢與EP2基本相同。由圖6e可知，EP4的交流電導率在1kHz、500Hz和50Hz下的開關場強為2.7kV/mm、1.8kV/mm和1.2kV/mm，其開關場強隨頻率增大而逐漸增大。由圖6f可知，EP5在50Hz和1Hz下的交流電導率沒有出現(xiàn)電導率恒定的歐姆區(qū)而直接進入非線性電導區(qū)，這是因為其非線性電導率曲線的開關場強小于0.2kV/mm。

由圖6可知，在相同電場強度下，同種試樣的交流電導率隨頻率的增加而增大。不同摻雜質(zhì)量分數(shù)的EP/SiCw復合材料在10kHz下的交流電導率隨著電場強度的增加基本保持恒定，分析認為EP/SiCw復合材料在10kHz下可能不具有非線性電導，或者開關場強太高而無法測量，表現(xiàn)為非線性電導特性右移，這將在第3節(jié)中進一步分析。

此外，對于EP0、EP1、EP2、EP3和EP4，在0.5kV/mm低場強和9.5kV/mm高場強下，其交流電導率均隨頻率的增加而增大；對于EP5，其在0.5kV/mm低場強下的交流電導率隨頻率的增加而增大；而其在9.5kV/mm高場強下的交流電導率隨頻率的增加而減小。

100℃時純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在1Hz、50Hz、500Hz、1kHz和10kHz下的交流電導率與電場強度關系如圖7所示。由圖7可知，在相同電場強度和頻率下，與50℃下的交流電導率相比，純環(huán)氧及其非線性復合材料在100℃下的交流電導率均有所增加，但是隨電場強度的變化更為緩慢。

此外，由圖7e可知，EP4在1Hz和50Hz下的交流電導率從8kV/mm開始呈現(xiàn)飽和趨勢。在非線性電導區(qū)域之后，當非線性材料中的所有導電路徑都被導通時，交流電導率隨著電場的增加而逐漸趨于飽和，此時電導率被稱為“飽和電導率”[24]。飽和電導率對應的電場強度被稱為“飽和場強”。EP4在1Hz和50Hz下的飽和場強為8kV/mm。由圖7f可知，EP5同樣在100℃的高場低頻下表現(xiàn)出最大的交流電導率，與EP5在50℃下的交流電導率相比，其在100℃高場低頻下的交流電導率與高場高頻下的交流電導率之間的差值更大，說明高摻雜含量時電導損耗隨溫度升高而明顯增大。

圖7 100℃時純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在不同頻率下交流電導率與電場強度的關系

在150℃時，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在1Hz、50Hz、500Hz、1kHz和10kHz下的交流電導率與電場強度關系如圖8所示。由圖8可知，相比于100℃時，相同頻率和場強下的交流電導率，150℃時的交流電導率更大。對于EP1、EP2、EP3和EP4，相比于50℃和100℃，其在150℃下的交流電導率隨電場變化更為緩慢，表現(xiàn)為較低的電場依賴性。由圖8f可知，EP5在1Hz、50Hz、500Hz和1kHz下的非線性交流電導在高場下出現(xiàn)明顯的飽和特征，其在1Hz、50Hz、500Hz和1kHz下的飽和場強分別為4.7kV/mm、5.1kV/mm、5.3kV/mm和5.7kV/mm，說明在高溫下導電通路全部導通所需的場強更小，表現(xiàn)出非線性電導特性向低場方向移動的趨勢。

圖8 150℃時純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在不同頻率下交流電導率與電場強度的關系

介損角正切（介電損耗）tan與交流電導率ac的關系為[17]

式中，為角頻率；0為真空介電常數(shù)；為介電常數(shù)實部。介電損耗的影響因素較為復雜，主要分為電導損耗和極化損耗，其中電導損耗由電子和離子傳導產(chǎn)生，集中在低頻段，而極化損耗主要由電極極化、分子鏈弛豫極化、界面極化、偶極子極化產(chǎn)生，分布頻段較廣[25]。

當溫度低于g時，由圖6f和圖7f可知，當電場強度為9.5kV/mm時，EP5的高頻的ac小于低頻時的ac；而當電場強度為0.5kV/mm時，EP5的高頻ac大于低頻ac，說明EP5在高場低頻表現(xiàn)出了顯著的非線性電導效應。當溫度高于g時，由圖8f可知，當電場強度較高時，EP5在不同頻率下的ac基本相同，并且隨電場強度增加，ac呈現(xiàn)飽和趨勢，說明玻璃化轉(zhuǎn)變前后的電導機理發(fā)生了變化，結(jié)合CTE隨溫度的變化（如圖4所示），當溫度低于g時，電導損耗主要是由電子沿SiCw導電路徑傳導產(chǎn)生；而當溫度高于g時，不同頻率下的高場ac相同且呈現(xiàn)飽和趨勢，未表現(xiàn)出明顯的非線性電導特性，說明電導主要來自EP基體而非SiCw填料，這是因為SiCw導電路徑在高溫下已經(jīng)被破壞，雜質(zhì)在高溫下的解離勢壘降低，導致大量雜質(zhì)電離，此時電導損耗主要來源于EP基體中的離子電導。

2.7 非線性交流電導率系數(shù)和開關場強

當溫度分別為50℃、100℃和150℃時，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料的非線性交流電導率系數(shù)δ、開關場強bδ與頻率的關系如圖9所示。

圖9 不同溫度和頻率下純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料的交流非線性電導特性

δ計算式為[26]

式中，δ為非線性電導區(qū)的某一外施電場強度；bδ為歐姆區(qū)到非線性電導區(qū)的轉(zhuǎn)折電場強度；δ為非線性電導區(qū)的某一外施電場強度對應的交流電導率；bδ為bδ對應的交流電導率。

由圖9a、圖9c和圖9e可知，δ隨SiCw填料含量的增加而增加，隨頻率的增加而減小，隨溫度的升高而減小。由圖9b、圖9d和圖9f可知，bδ隨SiCw填料含量的增加而減小，隨頻率的增加而增大，隨溫度的升高而增大。

2.8 非線性介電常數(shù)

在50℃時，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在1Hz、50Hz、500Hz、1kHz和10kHz下的與電場強度關系如圖10所示。

圖10 50℃時純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在不同頻率下介電常數(shù)ε'與電場強度的關系

由圖10a和圖10b可知，除1Hz外，EP0和EP1在其余頻率下的均隨電場強度增大而減小，其中EP0在1Hz下的與電場強度無關，而EP1在1Hz下的從1.3kV/mm開始隨電場強度增加而緩慢增大。由圖10c可知，EP2在50Hz和1Hz下表現(xiàn)出非線性介電特性，而其在500Hz和1kHz下的與電場強度幾乎無關，其在10kHz下的隨電場強度增大而略微下降。由圖10d可知，EP3在50Hz和500Hz下開關場強分別為1.7kV/mm和1.2kV/mm。由圖10e可知，EP4的在1kHz、500Hz、50Hz和1Hz下的開關場強為4.7kV/mm、3.2kV/mm、2.3kV/mm和1.8kV/mm，其開關場強隨著頻率的增大而逐漸增大。由圖10d、圖10e和圖10f可知，除10kHz外，其余頻率下EP3、EP4和EP5的隨場強變化均表現(xiàn)出非線性趨勢；另外，隨著摻雜質(zhì)量分數(shù)的增加，EP/SiCw復合材料在10kHz下的隨電場強度的增加而下降的速率越小。

此外，由圖10可知，在相同電場強度下，同種材料的隨頻率的增加而減小；在相同頻率下，EP/ SiCw復合材料的隨摻雜質(zhì)量分數(shù)的增加而增大。

在100℃時，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在1Hz、50Hz、500Hz、1kHz和10kHz下的與電場強度關系如圖11所示。由圖11可知，與EP0在50℃和1Hz下的介電常數(shù)隨電場強度的變化相比，其在100℃和1Hz下的介電常數(shù)隨著電場強度呈現(xiàn)下降趨勢。EP1的開關場強為7.5kV/mm，之后略微增大；EP2和EP5在100℃和50℃下的介電常數(shù)隨電場強度的變化相近；EP3在500Hz和1kHz下的介電常數(shù)隨電場強度增大基本保持恒定；EP3和EP4在50Hz下的介電常數(shù)飽和場強分別為8.5kV/mm和8kV/mm。

圖11 100℃時純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在不同頻率下介電常數(shù)ε'與電場強度關系

在150℃時，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在1Hz、50Hz、500Hz、1kHz和10kHz下的與電場強度關系如圖12所示。由圖12可知，相比于50℃和100℃，150℃時相同試樣和相同頻率下的明顯增大，其中EP5在低頻高場下的增幅最大，這與純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料的高溫玻璃化轉(zhuǎn)變有關。此外，EP/SiCw復合材料在150℃下的開關場強明顯增大，可以在更寬的低場區(qū)域保持恒定。當溫度為50℃和100℃時，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在10kHz下的均隨電場強度增加而下降，而當溫度為150℃時，其在10kHz下的隨電場強度增加而基本保持恒定。值得注意的是，EP1在1Hz下的出現(xiàn)隨電場強度先減小后增大的趨勢，并且EP4在50Hz下同樣表現(xiàn)出相同的變化趨勢，比較圖8和圖12可知，EP1在150℃下未能表現(xiàn)出非線性電導特性，但成功地表現(xiàn)出非線性介電性能，這說明非線性介電特性的形成機理與非線性電導特性不同，具體機理將在第3節(jié)進行詳細分析。

圖12 150℃時純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料在不同頻率下介電常數(shù)ε'與場強關系

2.9 非線性介電常數(shù)系數(shù)和開關場強

在50℃、100℃和150℃時，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料的非線性介電常數(shù)系數(shù)ε、開關場強bε與頻率的關系如圖13所示。ε計算式為[26]

式中，Eε為外施電場強度；ε'為任意電場強度對應的介電常數(shù)；為Ebε對應的介電常數(shù)。

由圖13a、圖13c和圖13e可知，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料的ε隨SiCw填料含量的增加而近似呈現(xiàn)增大趨勢，隨頻率的增加而減小，隨溫度升高而增大。由圖13b、圖13d和圖13f可知，純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料的bε隨頻率的增加而增大，隨著溫度的升高而增大，其中，EP4的bε最高，其次是EP5。

對比圖9和圖13可知，δε，表明其具有優(yōu)異的非線性電導特性，但非線性介電特性不顯著。此外，δ隨溫度的增大而減小，而ε隨溫度的增大而增大，這說明非線性介電特性與非線性電導特性的形成機理不同，溫度升高破壞導電通道，阻礙電子傳輸，從而削弱非線性電導特性；但是會使由界面極化產(chǎn)生的電容效應加強，從而增強非線性介電特性，具體機理在第3節(jié)進行詳細分析。

3 分析與討論

簡化的環(huán)氧樹脂復合電介質(zhì)材料等效電路如圖14所示，EP/SiCw復合材料可等效為電導AB和電容AB。非線性交流電導率由AB產(chǎn)生，AB大小主要由SiCw導電路徑中的雙肖特基勢壘決定；而非線性介電常數(shù)由AB產(chǎn)生，AB大小主要由SiCw/SiCw或SiCw/EP的界面電容決定。AB通過調(diào)控AB和AB的大小來分別實現(xiàn)EP/SiCw復合材料的非線性電導和介電特性，而AB對AB和AB的調(diào)控作用受到溫度和頻率的影響，從而達到對EP/SiCw復合材料非線性交流電導和介電特性的調(diào)控目的。本文分別構(gòu)建雙肖特基勢壘模型和界面電荷弛豫模型，解釋溫度和頻率對非線性交流電導和介電特性的影響。電場強度變化改變雙肖特基勢壘模型高度和界面電荷數(shù)量，從而分別實現(xiàn)非線性電導和介電特性，而這一過程受到溫度和頻率的影響，其作用機制將在下文中詳細闡述。

圖14 簡化的環(huán)氧樹脂復合電介質(zhì)材料等效電路

3.1 非線性交流電導率

非線性交流電導率是由電導損耗和極化損耗共同引起，當SiCw摻雜濃度較低而未形成電導路徑時，例如EP1和EP2，非線性交流電導率主要由SiCw/EP界面極化損耗和SiCw偶極子極化損耗引起，而電導損耗的貢獻較低。當SiCw摻雜濃度超過滲流閾值而形成電導路徑時（如EP3、EP4和EP5），電導損耗對非線性交流電導率的形成占主導作用，本文主要分析這種情況。

當SiCw導電路徑形成時，非線性交流電導率與填料和填料之間接觸界面的雙肖特基勢壘高度變化有關。根據(jù)G. Blatter和F. Greuter模型[27]，隨著電場強度增大，雙肖特基勢壘兩側(cè)的界面電荷數(shù)量i逐漸增多，對雙肖特基勢壘高度B起到補償作用，此時B并未隨電場強度增大而下降，而是基本保持恒定，而界面電荷也無法克服雙肖特基勢壘發(fā)生遷移，非線性電導率隨電場強度變化基本穩(wěn)定，對應非線性電導曲線的歐姆區(qū)。當電場強度繼續(xù)增大，界面電荷數(shù)量i達到飽和，從而失去對B的補償作用，此時B隨電場強度增大而快速下降，導致非線性電導率隨電場強度增大而非線性增加，進入非線性電導區(qū)[20]，非線性電導產(chǎn)生機制如圖15所示。

圖15 非線性電導產(chǎn)生機制示意圖

在G. Blatter和F. Greuter模型中，與界面電荷越過雙肖特基勢壘的弛豫時間i需要滿足式（5）才能出現(xiàn)非線性電導特性[27]。

當增大時，需要的i更小，而更大的電場強度可以降低B，提高界面電荷越過勢壘的概率，從而降低i。非線性電導特性與頻率的關系示意圖如圖16所示。由圖16可知，當頻率為1時，需要電場強度1使B下降DB1，從而使1i(1)＜1；當頻率增大至2時，需要更大的電場強度2使雙肖特基勢壘高度下降DB2（＞DB1），才能使2i(DB2)＜1。因此在相同溫度下，相同摻雜質(zhì)量分數(shù)的EP/SiCw復合材料的bδ隨著頻率的增大而增大（見圖9）。

根據(jù)滲流理論，當填料摻雜濃度較低時，由于填料無法形成導電路徑，所以聚合物不具備非線性電導特性；當填料相互接觸形成導電路徑后，隨著填料含量的增大，導電路徑的數(shù)量也增多，載流子可以沿著眾多導電路徑中最短的路徑進行傳遞，如圖17所示，而最短導電路徑中填料接觸界面的雙肖特基勢壘數(shù)量更少，所以隨著填料濃度增大，載流子傳遞需要克服的雙肖特基勢壘數(shù)量越少。因為開關場強和雙肖特基勢壘數(shù)量成正相關，而非線性電導率系數(shù)與雙肖特基勢壘數(shù)量成負相關[28]，所以隨著SiCw填料濃度增大，EP/SiCw復合材料的開關場強減小，而非線性電導率系數(shù)增大（見圖9）。

圖16 非線性電導特性與頻率的關系示意圖

圖17 純環(huán)氧及EP/SiCw復合材料的導電路徑示意圖

δ隨著溫度的升高而減小，這可以解釋為SiCw晶格的振動隨溫度升高而加強，從而對穿過晶格傳輸電子的阻礙作用增大，導致δ減小[29]；也可以解釋為環(huán)氧分子鏈在高溫下運動加劇，導致基體分子鏈間隙增大，從而使陷阱能級加深或引入更多的陷阱[3]；還可以解釋為環(huán)氧分子鏈在高溫下的劇烈運動打斷了現(xiàn)有的SiCw導電路徑，或減小了SiCw之間的接觸界面彈力，由式（6）可知，界面接觸彈力越小，界面電阻越大，由于界面電阻分擔了部分外施電壓，導致填料內(nèi)部的電場強度減小，從而使開關場強增大而非線性電導系數(shù)減小。

對于理想規(guī)則的粒狀填料，其界面電阻c可由式（6）進行計算[30]。

在R. Holm提出的填料接觸模型[31]中，對于兩個相鄰且不規(guī)則的SiC粒狀填料，將其中一個填料的邊緣突起簡化為l半徑的弧形，將另一個填料的邊緣簡化為平面，從而對其界面勢壘進行研究。

圖18為SiCw填料在表面改性后的SEM圖，發(fā)現(xiàn)大部分SiCw的兩端為半球狀突起，且突起直徑為100～500nm，因此本文將SiCw兩端等效為具有l(wèi)半徑的半球狀突起，SiCw接觸時的界面模型如圖19所示，所以其界面可以等效成兩個半徑為l的理想球狀填料的接觸界面。

圖18 SiCw填料表面改性后的SEM圖

圖19 SiCw填料的接觸界面模型

3.2 非線性介電常數(shù)

非線性電導特性隨溫度增加而削弱，而非線性介電特性隨溫度增加而增強，表明非線性介電特性與非線性電導特性的產(chǎn)生機理完全不同。

首先通過空間電荷分布確定EP/SiCw復合材料的載流子極性和β-SiCw半導體類型。當測試電場強度為10kV/mm時，EP0和EP5在極化過程（0～30min）和去極化過程（30～40min）中的空間電荷時空分布分別如圖20a和圖20b所示，圖20c為EP0和EP5在30min時的空間電荷分布。由圖20a和圖20c可知，EP0在極化階段后期于陰極附近出現(xiàn)正電荷積聚；由圖20b和圖20c可知，EP5在陽極附近積聚了大量的負電荷，這是因為β-SiCw在電場作用下產(chǎn)生了大量的激發(fā)態(tài)電子并向陽極遷移，當電子遷移至陽極附近時，被電極-介質(zhì)界面勢壘所阻擋，從而在陽極附近形成負電荷積累，表明了本文選擇的β-SiCw中電子為多子，即β-SiCw為N型半導體。

根據(jù)L. T. Jewis提出的界面區(qū)模型[32]，界面區(qū)中感應出與填料極性相反的電荷，即空穴。非線性介電常數(shù)特性無需形成導電通道，可由填料/基體和填料/填料的界面極化弛豫過程形成的界面電容產(chǎn)生[19]，在界面電容面積和厚度不變的情況下，界面電容與介電常數(shù)成正比，因此可以通過研究界面電容在不同溫度和頻率下隨電場強度的變化，來反映介電常數(shù)在不同溫度和頻率下隨電場強度的變化。因為電容與電荷成正比關系，所以在電場強度不變的情況下可以通過電荷數(shù)量反映電容大小。本文提出低摻雜和高摻雜情況下不同電場強度和頻率下的界面電荷弛豫模型，分別如圖21和圖22所示。界面電荷數(shù)量在不同電場強度、頻率和溫度下發(fā)生改變，導致界面極化削弱或加強，從而改變界面電容和非線性介電特性。由于界面區(qū)的費米能級與填料的費米能級不同，所以在填料與界面區(qū)之間造成能帶彎曲，從而形成界面勢壘。

圖21 低摻雜下交流場中介電常數(shù)與頻率的關系示意圖

在填料濃度較低而未形成導電通路的情況下，界面電容與頻率的關系如圖21所示。當外施電場強度較低時，由于界面勢壘的阻礙作用，電子和空穴在填料界面兩側(cè)積累，產(chǎn)生界面電容，如圖21a所示。當電場強度增大時，勢壘高度下降，部分電子和空穴越過勢壘沿電場方向發(fā)生遷移，導致界面兩側(cè)積聚的電荷數(shù)量減小。當溫度升高時，SiCw填料內(nèi)部電子熱激發(fā)加劇，填料內(nèi)部的激發(fā)電子和界面區(qū)的感應空穴在電場作用下遷移至界面兩側(cè)，使界面電荷數(shù)量增加，從而使界面極化加強，非線性介電特性加強。當溫度較高和電場強度較低（低于開關場強）時，溫度對界面極化的加強作用大于電場強度對界面極化的加強作用，介電特性對低場區(qū)中的電場強度變化不敏感，導致開關場強增大。當溫度和電場強度均較高（超過開關場強）時，高電場強度對界面極化的加強作用更加明顯，從而使高溫時的非線性介電常數(shù)系數(shù)大于低溫時的非線性介電常數(shù)系數(shù)。由圖12和圖13可知，相比于50℃和100℃，當溫度為150℃時，相同摻雜質(zhì)量分數(shù)EP/SiCw材料的低場介電常數(shù)、開關場強和非線性介電常數(shù)系數(shù)均增大。

當電場強度較高和頻率較低時，半周期同極性高電場強度的作用時間較長，在高電場強度下更容易使SiCw填料激發(fā)出更多的電子，同時在界面區(qū)中感應出更多的空穴；當激發(fā)產(chǎn)生的電荷數(shù)量超過越過勢壘遷移的電荷數(shù)量時，界面電荷數(shù)量增加（見圖21b），表現(xiàn)為界面電容增大和界面極化加強，介電常數(shù)隨電場強度增加而增大。由圖13可知，EP1和EP2在1Hz下表現(xiàn)的非線性介電常數(shù)變化規(guī)律，與圖21b的分析一致。當電場強度較高和頻率較高時，半周期同極性高電場強度的作用時間較短，SiCw填料在短時間內(nèi)激發(fā)出少量的電子或無電子激發(fā)，導致越過勢壘發(fā)生遷移的電荷數(shù)量大于激發(fā)的電荷數(shù)量，界面電荷數(shù)量下降（如見圖21c），從而使界面電容減小，介電常數(shù)隨電場強度增加而減小。由圖13可知，EP1和EP2在高頻下的介電常數(shù)隨電場強度增加而下降，與圖21c分析一致。

在填料濃度較高而形成導電通路的情況下，界面電容與電場強度的關系如圖22所示。當外施電場強度較低時，載流子在遷移過程中，由于無法克服界面勢壘，從而形成界面電荷積累，產(chǎn)生界面電容，如圖22a所示。當外施電場強度增加至2時，界面勢壘高度下降，部分界面電荷越過界面勢壘沿電場方向發(fā)生遷移，但由于電場強度較低，不足以使價帶電子激發(fā)至導帶，導致界面電荷數(shù)量下降，從而使介電常數(shù)下降，如圖22b所示。當外施電場強度繼續(xù)增大至3時，此時電場強度足夠大，使得填料電子大量激發(fā)，如圖22c所示，右側(cè)填料的大量價帶電子在高電場強度下激發(fā)至導帶后，在價帶中留下大量空穴，右側(cè)填料的價帶空穴沿電場遷移至填料交疊的界面區(qū)中，此時左側(cè)填料激發(fā)的大量電子也向界面遷移，由于填料激發(fā)的電荷數(shù)量大于越過界面勢壘發(fā)生遷移的電荷數(shù)量，從而使界面極化加強，導致介電常數(shù)增大。當電場強度繼續(xù)增加至4時，界面勢壘高度進一步下降，越過界面勢壘發(fā)生遷移的電荷數(shù)量增多，當其與填料在高電場強度下激發(fā)的電荷數(shù)量相近時，界面電荷數(shù)量達到飽和，從而使介電常數(shù)達到飽和。

圖22 高摻雜下交流場中介電常數(shù)與場強的關系示意圖

隨電場強度的變化如圖22d所示。在不同摻雜質(zhì)量分數(shù)、頻率和溫度下，2、3、4的大小也會發(fā)生相應變化，從而實現(xiàn)不同的非線性介電特性。當3和4較大、而2較小時，表現(xiàn)為隨電場強度增大而持續(xù)減小，由圖10和圖11可知，EP/SiCw復合材料在低溫和高頻時的隨電場強度增大而減小。當2和3較大且相近、而4更大時，表現(xiàn)為隨電場強度增大而非線性增大且開關場強較大，由圖12可知，EP/SiCw復合材料在高溫和低頻時的隨電場強度增大具有相同的變化趨勢。當2和3較小且相近，且4較大時，表現(xiàn)為隨電場強度增大而非線性增大且開關場強較小，由圖10和圖11可知，EP/SiCw復合材料在低溫和低頻時的隨電場強度增大具有相同的變化趨勢。當2和3較大且相近、且4較小時，表現(xiàn)為隨電場強度先增大后逐漸飽和，EP3和EP4在50Hz和100℃表現(xiàn)出相同的變化趨勢。當2較小，3明顯大于2，4較大時，表現(xiàn)為隨電場強度先減小而后非線性增大且開關場強較高，由圖12所示，EP4在150℃和50Hz下的隨電場強度增大出現(xiàn)相同的變化趨勢。

3.3 玻璃化轉(zhuǎn)變對非線性特性的影響

結(jié)合圖4分析，隨著溫度升高，EP/SiCw復合材料的CTE增大，EP分子鏈運動加劇，當溫度超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后，非線性電導特性受到明顯削弱，高場電導呈現(xiàn)飽和趨勢，認為SiCw在高溫下的導電路徑被分子鏈弛豫運動所打斷，如圖23所示。

圖23 SiCw填料在不同溫度下的接觸界面模型

在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前后，純EP和EP/SiCw復合材料分別處于玻璃態(tài)和高彈態(tài)，具有不同的非線性電導機理。根據(jù)3.1節(jié)分析，在玻璃態(tài)時，超過滲流閾值的EP/SiCw復合材料中存在由SiCw相互搭接形成的大量導電通路，電子在SiCw/SiCw接觸界面主要通過Poole-Frenkel場助熱發(fā)射效應和隧穿效應進行傳遞[28]，并且可以利用滲濾理論解釋電子在SiCw導電路徑中的傳遞過程；而在高彈態(tài)時，分子鏈的熱弛豫運動加強，大量導電通路被打斷，形成更多的SiCw/EP界面，此時電子主要在SiCw尖端形成的強電場作用下通過隧穿效應穿過SiCw/EP界面進入EP基體中，進而通過跳躍電導在SiCw之間的EP基體薄層中進行傳遞。由于電子在EP層中的跳躍電導需要消耗大量能量，所以電子在EP層中的傳遞比在SiCw導電路徑中的傳遞更加困難，因此隨著溫度升高，EP/SiCw復合材料由玻璃態(tài)向高彈態(tài)過渡時，非線性電導特性逐漸減弱，表現(xiàn)為非線性電導系數(shù)減小和開關場強增大。此外，由于雜質(zhì)在高溫下的解離勢壘降低，導致大量雜質(zhì)電離，從而使低場電導率隨溫度升高而增大。

對于非線性介電特性，由于非線性介電常數(shù)的產(chǎn)生主要依賴SiCw/SiCw和SiCw/EP界面極化，當導電通路在高彈態(tài)被打斷時，產(chǎn)生了更多的SiCw/EP界面，且高溫有利于更多電子從SiCw中激發(fā)并積累在界面附近，從而形成更強的界面電荷積聚和電容效應，因此隨著溫度的升高，非線性介電常數(shù)系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢。

4 結(jié)論

本文制備了純環(huán)氧及不同摻雜質(zhì)量分數(shù)的EP/SiCw復合材料試樣，通過TEM表征了改性前后的SiC填料，采用SEM表征了試樣斷面微觀形貌，通過XRD分析了填料和試樣的物相結(jié)構(gòu)信息，采用DMA研究了試樣的熱力學特性，使用DSC獲得了試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，測試了不同溫度和頻率下的交流電導率和介電常數(shù)，通過雙肖特基勢壘模型和界面電荷弛豫模型，分析了溫度和頻率對EP/SiCw復合材料交流非線性電導和介電特性的影響，得到如下結(jié)論：

1）EP/SiCw復合材料非線性交流電導率開關場強和非線性介電常數(shù)開關場強均隨測試頻率的增加而增大，其非線性交流電導率系數(shù)隨測試溫度的升高而減小，非線性介電常數(shù)系數(shù)隨溫度的升高而增大，復合材料非線性交流電導率系數(shù)和非線性介電常數(shù)系數(shù)均隨SiCw摻雜質(zhì)量分數(shù)的增加而增大。當SiCw摻雜質(zhì)量分數(shù)和溫度較低，測試頻率較高時，EP/SiCw復合材料介電常數(shù)隨電場強度的增加而下降；當SiCw摻雜質(zhì)量分數(shù)和溫度較高，頻率較低時，復合材料介電常數(shù)隨電場強度的增加而非線性增大且開關場強較大。

2）非線性電導特性和非線性介電特性的產(chǎn)生機理不同，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前后的電導機理也不同。溫度和頻率對EP/SiCw復合材料非線性交流電導特性的作用取決于導電路徑中填料接觸面的雙肖特基勢壘，復合材料的非線性介電特性與填料/基體和填料/填料的界面極化密切相關，溫度和頻率通過改變界面電荷弛豫過程來影響非線性介電特性。在高場低頻條件下，高電場激發(fā)產(chǎn)生的界面電荷量大于越過界面勢壘遷移的界面電荷量，使得復合材料的介電常數(shù)隨電場強度增大而增大；在高場高頻條件下，高場激發(fā)產(chǎn)生的界面電荷量小于越過界面勢壘遷移的界面電荷量，使得介電常數(shù)隨電場強度增大而減小。研究結(jié)果為EP/SiCw復合材料在高溫高頻環(huán)境下的應用提供了實驗基礎數(shù)據(jù)和理論參考。

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Effect of Temperature and Frequency on AC Nonlinear Properties of Epoxy Resin/Silicon Carbide Whisker Composites

Chen Xiangrong1,2,3Huang Xiaofan1,2Wang Qilong1,2Wang Enzhe1Zhang Tianyin1

（1. College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China 2. Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center Zhejiang University Hangzhou 311200 China 3. Advanced Electrical International Research Center Zhejiang University Haining 314400 China）

To investigate the AC conductive and dielectric properties at different temperatures and frequencies, the pure epoxy and epoxy resin/silicon carbide whisker (EP/SiCw) composites with different doping mass fractions were fabricated. The surface modification effect of the SiCw fillers, the cross-section micro-morphology of the samples, the phase structure information of the SiCw fillers and samples, the thermomechanical properties and glass transition temperature of the samples were investigated by transmission electron microscope, field emission scanning electron microscope, X-ray diffraction, dynamic mechanical analysis and differential scanning calorimetry, respectively. The effects of temperature and frequency on AC conductivity and dielectric properties of the samples were analyzed by the AC bias voltage module of the dielectric spectrum analyzer. The results show that for the same frequency and doping concentration, the nonlinear AC conductivity coefficient decreases with the increase of temperature, whereas the nonlinear dielectric constant coefficient, nonlinear AC conductivity switching field strength and nonlinear dielectric constant switching field strength increase with the increase of temperature. For the same temperature and doping concentration, the nonlinear AC conductivity coefficient and nonlinear dielectric constant coefficient both decrease with the increase of frequency, whereas the nonlinear AC conductivity switching field strength and nonlinear dielectric constant coefficient both increase with the increase of the frequency. The generation mechanisms of the nonlinear conductive property and nonlinear dielectric property at different temperatures and frequencies are explained by the double Schottky barrier model and the interface charge relaxation model, respectively. The results can provide experimental and theoretic reference to the high-temperature and high-frequency application of the EP/SiCw composites.

Epoxy resin, composites, AC nonlinear properties, temperature, frequency

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220289

TM215.92

浙江省自然科學基金重點項目（LZ22E070001）和浙江大學“百人計劃”（自然科學 A類）項目資助。

2022-03-02

2022-04-28

陳向榮 男，1982年生，研究員，博士生導師，研究方向為先進電工材料+新一代測量傳感技術(shù)，先進電力裝備+新一代電網(wǎng)，高電壓新技術(shù)等先進高壓輸電新技術(shù)。E-mail：chenxiangrongxh@zju.edu.cn（通信作者）

黃小凡 女，1999年生，碩士研究生，研究方向為先進電力電子器件封裝絕緣及測試技術(shù)。E-mail：huangxiaofan123@zju.edu.cn

（編輯 郭麗軍）