姚茗瀚， 江心宇， 楊紫月， 李凱旋， 莫申揚(yáng)， 童 顏， 張博雅， 李興文

（1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211000）

0 引 言

高壓大功率絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）作為新能源的基礎(chǔ)和關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電變流器、光伏逆變器、電動(dòng)汽車、高鐵牽引、高壓直流輸電等高新技術(shù)領(lǐng)域。隨著IGBT 器件向高電壓、高功率密度的方向發(fā)展[1-2]，要求其絕緣封裝材料具有更加優(yōu)秀的電學(xué)、熱學(xué)與力學(xué)性能[3]。

隨著對(duì)電子封裝系統(tǒng)小型化需求的不斷提升，環(huán)氧塑封料（EMC）逐漸成為電子封裝的關(guān)鍵材料[4]，其具有高可靠性、低成本和適合大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但是其散熱性能受限于環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)，合成過程中也會(huì)生成有害物質(zhì)[5]。聚酰亞胺（PI）作為當(dāng)前熱門的耐高溫樹脂封裝材料，具有優(yōu)異的絕緣性能、熱性能、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性[6]，但PI分子量剛性較強(qiáng)，加工性能較差。硅凝膠作為一種IGBT 模塊封裝用絕緣材料，其固化后具有高黏度、防潮、防塵、防污、抗沖擊和防振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，能夠保護(hù)器件基板、半導(dǎo)體和連接處免受潮濕、污漬和振動(dòng)的影響[8-11]，同時(shí)有著良好的電氣絕緣性和耐高溫性。

在IGBT 器件中使用Si 基半導(dǎo)體芯片工作時(shí)，內(nèi)部最高結(jié)溫會(huì)達(dá)到175℃[12]，而使用新一代寬禁帶（wide band gap，WBG）半導(dǎo)體材料制造IGBT 器件的芯片時(shí)，例如SiC 基半導(dǎo)體芯片，在商業(yè)級(jí)應(yīng)用方面其最高結(jié)溫為225℃，在實(shí)驗(yàn)室中甚至可以實(shí)現(xiàn)在600℃條件下運(yùn)行[12-16]。長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)行，會(huì)改變IGBT 封裝用有機(jī)硅凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部成分，材料結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致其相關(guān)特性退化[17]，從而使硅凝膠的絕緣性能發(fā)生一定程度的劣化[18-19]。M OHARA[20]發(fā)現(xiàn)硅凝膠在高溫（200℃或更高）下受到長(zhǎng)時(shí)間的熱作用影響后會(huì)變硬變脆，完全失去彈性，最終開裂。陳慶國(guó)等[21]在120℃下對(duì)硅橡膠試樣開展了人工加速熱老化試驗(yàn)，結(jié)果表明熱老化后的硅橡膠試樣相對(duì)介電常數(shù)減小，隨著熱老化時(shí)間的增加，材料硬度逐漸增加，交聯(lián)程度增大。毛塬[12]對(duì)有機(jī)硅凝膠在175℃溫度下進(jìn)行老化試驗(yàn)，并對(duì)其介電特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著熱應(yīng)力作用時(shí)間的延長(zhǎng)，有機(jī)硅凝膠材料的相對(duì)介電常數(shù)減小。M T DO 等[22]在寬頻（10-4～103Hz）和寬溫（20～160℃）范圍內(nèi)研究了硅凝膠的介質(zhì)損耗譜，得到其介電特性，并且特別關(guān)注了老化時(shí)間對(duì)硅凝膠介質(zhì)損耗的影響。陳日榮等[23]在180℃條件下對(duì)有機(jī)硅凝膠進(jìn)行了加速熱氧老化試驗(yàn)，對(duì)發(fā)生熱氧老化的機(jī)理進(jìn)行了初步解釋。上述文獻(xiàn)分析了硅凝膠材料在一定溫度以及一定頻率范圍內(nèi)高溫與老化性能的關(guān)系，但是缺乏對(duì)高溫與熱老化特性關(guān)系的表征參量研究，尤其是硅凝膠的熱老化機(jī)理尚不明晰。

針對(duì)高壓IGBT 器件的絕緣需求，本文深入研究封裝用硅凝膠材料的介電性能、電阻率以及擊穿電壓隨頻率、溫度和老化時(shí)間的變化趨勢(shì)，進(jìn)一步闡釋硅凝膠材料的熱老化機(jī)理。由于硅凝膠材料應(yīng)用于各種電力電子器件封裝，研究高溫及熱老化后硅凝膠材料的電學(xué)特性，對(duì)評(píng)估電力電子器件的絕緣狀態(tài)具有十分重要的意義，可為長(zhǎng)期在熱應(yīng)力作用下工作的電力電子模塊封裝設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試樣制備與測(cè)試平臺(tái)

1.1 試樣制備

本研究使用的原料為道康寧3-4170 的A/B 型硅凝膠，典型性能如表1 所示。該硅凝膠具有清晰透明、快速熱固化、工作時(shí)效長(zhǎng)、黏度低的特點(diǎn)，其中快速熱固化能夠在生產(chǎn)中提高產(chǎn)品的加工速度。A、B 組分均為無色無味油狀液體，具體制備步驟如下：先將A 膠和B 膠按照質(zhì)量比為1∶1 配置在燒杯中，用玻璃棒對(duì)混合液體手動(dòng)攪拌5 min，使組分混合均勻；然后將混合液置于真空設(shè)備中，在0.02 MPa 壓強(qiáng)下脫氣20 min，之后將脫氣混合液用一次性滴管轉(zhuǎn)移至鋪有0.1 mm 厚石墨紙的培養(yǎng)皿上，使硅凝膠樣品被培養(yǎng)皿定型成附著在石墨紙上的薄膜，直徑同培養(yǎng)皿尺寸，厚度為0.1～0.5 mm；最后將培養(yǎng)皿置于恒溫電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在100℃下固化9 min，即可得到試驗(yàn)樣品。由于硅凝膠黏度高，制備的薄膜樣品操作面積較大，厚度均勻且較薄，樣品可以在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)制備，批量測(cè)試。

表1 道康寧3-4170型硅凝膠的典型性能Tab.1 Typical properties of DOWSIL? 3-4170 silicone gel

將所制試樣分為3 組，未老化樣品組作為對(duì)照組，其余兩組分別放入恒溫電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行500 h 與1 000 h 老化，設(shè)置兩組老化溫度，分別為85℃和150℃，使試樣暴露于空氣中。為避免樣品溫度變化對(duì)測(cè)試的影響，每次老化周期結(jié)束后，取出樣品在干燥環(huán)境放置30 min，待其溫度下降到室溫再進(jìn)行測(cè)試。

1.2 測(cè)試平臺(tái)

采用Novocontrol CONCEPT 80 型寬頻域介電譜測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量硅凝膠的介電特性，測(cè)試電壓設(shè)置為1 V AC，樣品厚度為0.1～0.5 mm，測(cè)試直徑為20 mm。本文選取30℃和150℃兩個(gè)溫度對(duì)樣品進(jìn)行10-1～106Hz頻段的介電測(cè)試，得到試樣的頻域介電譜，并對(duì)不同溫度、不同老化時(shí)間下的介電特性曲線進(jìn)行分析。

采用高溫電阻率測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量硅凝膠的體積電阻率，該測(cè)試系統(tǒng)由高溫烘箱和內(nèi)置電壓源的Keithley 6517B 型靜電計(jì)組成。根據(jù) IEC 62631-3-1-2016[24]，測(cè)試方法為三電極法，下平板電極直徑d1=58 mm，上平板電極直徑d2=50 mm，環(huán)形輔助電極內(nèi)外直徑d3=54 mm、d4=58 mm，測(cè)試電壓為1 000 V DC。研究高溫特性時(shí)樣品厚度為0.16 mm，電場(chǎng)強(qiáng)度為6.25 kV/mm，溫度測(cè)試范圍為30～180℃。研究老化特性時(shí)樣品厚度為0.3 mm±0.1 mm。傳導(dǎo)電流在測(cè)量過程中逐漸下降并趨于穩(wěn)定，待電流值穩(wěn)定計(jì)算體積電阻率。

根據(jù)IEC 60243-1-2013[25]測(cè)試硅凝膠的擊穿強(qiáng)度，測(cè)試平臺(tái)如圖1 所示，由高壓電源、千分尺和絕緣支架組成。在大氣環(huán)境中使用球-板電極系統(tǒng)測(cè)量樣品，球形電極與樣品相切，測(cè)試時(shí)將石墨紙作為接地板電極。擊穿實(shí)驗(yàn)中頂部電極為高壓電極，使用50 Hz 的交流電壓，并以1 kV/s 的速率增加。使用加熱臺(tái)研究高溫下的擊穿電壓（可在室溫至300℃之間調(diào)節(jié)），每次測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行一定時(shí)間的預(yù)熱，確保溫度恒定且分布均勻，溫度測(cè)試范圍為30～180℃。試驗(yàn)結(jié)束后記錄擊穿點(diǎn)，用千分尺測(cè)量擊穿點(diǎn)的厚度。為避免高壓電極周邊局部放電打火，排除樣品界面閃絡(luò)的情況，總共進(jìn)行了10余次測(cè)試，保證每個(gè)測(cè)試組至少記錄10 個(gè)擊穿點(diǎn)。采用雙參數(shù)的Weibull 分布函數(shù)對(duì)擊穿數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，Weibull分布函數(shù)如式（1）所示。

圖1 擊穿平臺(tái)Fig.1 The breakdown platform

式（1）中：F(E，α，β)是擊穿強(qiáng)度的累積概率密度分布函數(shù)；E為試驗(yàn)得到的擊穿強(qiáng)度值；α是尺度參數(shù)，代表樣品擊穿累積概率達(dá)到63.2%的特征場(chǎng)強(qiáng)，也被稱為威布爾擊穿場(chǎng)強(qiáng)EBD；β為形狀參數(shù)，與樣品缺陷和試驗(yàn)條件有關(guān)。

2 硅凝膠的高溫特性

2.1 硅凝膠的介電-溫度特性

材料的介電特性可以用介電函數(shù)來表示：ε*=ε'-jε″，其中ε*代表復(fù)介電常數(shù)，ε'代表復(fù)介電常數(shù)實(shí)部，ε″代表復(fù)介電常數(shù)虛部。在30℃和150℃下硅凝膠的ε'與介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）隨頻率變化曲線如圖2所示。

圖2 30℃與150℃下硅凝膠樣品的介電特性Fig.2 Dielectric properties of silicone gel samples at 30℃ and 150℃

從圖2(a)可以看出，在30℃環(huán)境下，ε'基本維持在2.8 左右；在高溫150℃環(huán)境下，在低頻區(qū)（10-1～101Hz）ε'呈現(xiàn)陡坡式下降，在高頻區(qū)ε'逐漸穩(wěn)定在2.08 左右?？梢钥闯鰷囟葟?0℃升高到150℃，在高頻穩(wěn)定狀態(tài)下樣品的ε'降低了26.1%。

對(duì)上述現(xiàn)象給出如下解釋：硅凝膠為弱極性電介質(zhì)，其在外電場(chǎng)作用下的主要極化形式為電子位移極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化，因此相對(duì)介電常數(shù)較小，在30℃下維持在2.8 左右[26]。電子位移極化所需時(shí)間極短（10-15s），基本不隨頻率變化，因此偶極子取向極化成為影響ε'變化的主要原因，隨著電場(chǎng)頻率的升高，偶極子取向極化速度低于電場(chǎng)交變頻率，極化現(xiàn)象會(huì)有所衰減，此時(shí)ε'會(huì)因偶極子轉(zhuǎn)向極化衰減而下降。

從30℃到高溫150℃的過程中，分子的熱運(yùn)動(dòng)隨溫度的升高而增強(qiáng)，在高溫的促進(jìn)作用下，分子活性迅速增強(qiáng)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇到妨礙沿電場(chǎng)方向的取向程度，導(dǎo)致極化程度下降，高溫下的ε'低于常溫下的數(shù)值，這一現(xiàn)象也可以用硅凝膠隨著溫度的升高而膨脹來解釋，硅凝膠體積變大，降低了電極之間恒定間隙內(nèi)的材料密度[27]，從而降低了硅凝膠在高溫下儲(chǔ)存電荷的能力。

在低頻（10-1～101Hz）時(shí)，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部會(huì)出現(xiàn)低頻彌散現(xiàn)象，有機(jī)硅凝膠材料的低頻彌散現(xiàn)象因溫度的升高會(huì)更加顯著?，F(xiàn)有研究將高溫下的低頻彌散現(xiàn)象歸因于界面極化和電極極化的作用[28]，界面極化和電極極化都可以解釋為在材料和電極之間的界面上建立了“自由”電荷[26]。其中，界面極化在絕緣材料的摻雜研究中多有應(yīng)用，而本文制備的硅凝膠樣品無摻雜填料，因此低頻彌散現(xiàn)象不屬于界面極化。電極極化是電極在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電位跳躍、電荷積累的現(xiàn)象，與試驗(yàn)電極的材料和性能相關(guān)。本文對(duì)有機(jī)硅凝膠材料的介電特性進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于試驗(yàn)電極為銅（鍍金）電極，而高溫會(huì)加劇電極極化，所以測(cè)試結(jié)果會(huì)受到電極極化在電場(chǎng)作用下積累的空間電荷的影響，從而導(dǎo)致高溫下的低頻彌散現(xiàn)象更加顯著[29]。同時(shí)在低頻區(qū)偶極子取向極化速率不低于電場(chǎng)交變頻率，此時(shí)高溫的主要貢獻(xiàn)變成了通過加劇熱運(yùn)動(dòng)釋放更多偶極子來完成極化，使低頻下的ε'相較于高頻區(qū)大幅增加，相比于常溫產(chǎn)生了更加明顯的彌散現(xiàn)象。

如圖2(b)所示，硅橡膠樣品在30℃和150℃下的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ均隨頻率的升高而下降，在低頻段（10-1～101Hz）下降迅速，在10 Hz 處接近于0，在高頻段（101～106Hz）下降比較平緩，介質(zhì)損耗因數(shù)維持在10-4量級(jí)。介質(zhì)損耗包括電導(dǎo)損耗和極化損耗兩部分，在低頻下極化損耗主要取決于偶極子的取向極化損耗，電場(chǎng)的低交變頻率給予極化時(shí)間長(zhǎng)的偶極子足夠的轉(zhuǎn)向時(shí)間，為偶極子極化提供更多能量，導(dǎo)致介質(zhì)損耗增大；隨著電場(chǎng)交變頻率的升高，偶極子尚未開始旋轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度減弱，粒子極化引起的損耗減小。進(jìn)一步對(duì)比高溫與常溫可知，二者損耗在高頻段相差不大，溫度帶來的差異主要體現(xiàn)在低頻區(qū)域。溫度升高，導(dǎo)電粒子的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，其平均動(dòng)能和流動(dòng)性也增加，導(dǎo)致直流電導(dǎo)率增大，電導(dǎo)損耗增大，同時(shí)高溫會(huì)使得硅凝膠材料釋放更多的偶極子，導(dǎo)致在低頻下偶極子需要更多的能量來進(jìn)行取向極化，極化損耗增大。在二者的共同作用下，在低頻時(shí)高溫下的介質(zhì)損耗遠(yuǎn)高于常溫。

2.2 硅凝膠的電導(dǎo)-溫度特性

體積電導(dǎo)率（σv）是表征材料導(dǎo)電性能的宏觀參數(shù)，與體積電阻率（ρv）互為倒數(shù)關(guān)系（σv=1/ρv）[30]。通過傳導(dǎo)電流值計(jì)算得到在30～180℃內(nèi)硅凝膠的體積電阻率和電導(dǎo)率如圖3所示。

圖3 硅凝膠的變溫體積電阻率和電導(dǎo)率Fig.3 Temperature-dependent volume resistivity and conductivity of the silicone gel

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，硅橡膠的體積電導(dǎo)率隨著溫度的升高而升高，180℃下的體積電導(dǎo)率相比于常溫提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。影響體積電導(dǎo)率的主要因素是載流子的遷移率和濃度，隨著溫度的升高，低溫下被束縛的載流子受熱激發(fā)參與導(dǎo)電，使得硅凝膠內(nèi)部載流子的濃度升高和遷移率增大，從而導(dǎo)致硅凝膠試樣的體積電導(dǎo)率升高[25]。根據(jù)載流子的性質(zhì)，溫度對(duì)載流子產(chǎn)生的影響可能有兩種機(jī)制[31-32]：強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)和弱場(chǎng)電導(dǎo)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，導(dǎo)電性能由電子或者空穴主導(dǎo)，它們可能來自肖特基效應(yīng)、Fowler-Nordheim 效應(yīng)、Poole-Frenkel 效應(yīng)和電子的碰撞電離。當(dāng)溫度升高時(shí)，肖特基效應(yīng)、Poole-Frenkel 效應(yīng)和電子的碰撞電離會(huì)產(chǎn)生更多的電子?？紤]到空間電荷限制電流的影響，傳導(dǎo)電流增加，導(dǎo)致直流電導(dǎo)率增加。本文測(cè)量電導(dǎo)率時(shí)，樣品兩端的場(chǎng)強(qiáng)為6.25 kV/mm，對(duì)于硅凝膠材料而言屬于弱場(chǎng)電導(dǎo)，其產(chǎn)生的載流子大部分是離子，它們由材料本身電離產(chǎn)生，而電離是一個(gè)化學(xué)過程，溫度越高，化學(xué)反應(yīng)越快（Arrhenius 方程），載流子濃度增加，導(dǎo)致直流電導(dǎo)率增加。

2.3 硅凝膠的擊穿-溫度特性

圖4為不同溫度下硅凝膠的交流擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)的Weibull 分布圖，其特征參數(shù)見表2。從表2 可以看出，硅凝膠的交流擊穿強(qiáng)度隨溫度升高而下降。在30℃時(shí)，交流擊穿強(qiáng)度最高在16 kV/mm 以上，而在180℃時(shí)，交流擊穿強(qiáng)度約為8 kV/mm，降低了51%。溫度會(huì)影響聚合物材料的擊穿強(qiáng)度，且在不同溫度范圍內(nèi)擊穿機(jī)理不同[33]。當(dāng)溫度低于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，擊穿強(qiáng)度與溫度無關(guān)，反之擊穿強(qiáng)度隨溫度升高而降低。硅凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-120℃，擊穿測(cè)試的溫度范圍高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，因此擊穿強(qiáng)度與溫度呈負(fù)相關(guān)。同時(shí)，硅凝膠的擊穿機(jī)理可以用粒子的碰撞電離使載流子數(shù)倍增加導(dǎo)致雪崩擊穿來解釋，隨著溫度的升高，粒子間熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈，碰撞電離現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度降低。

圖4 不同溫度下硅凝膠交流擊穿強(qiáng)度的Weibull分布圖Fig.4 Weibull plots of the AC breakdown strength of silicone gel at different temperatures

表2 不同溫度下交流擊穿強(qiáng)度的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)Tab.2 The scale parameter and shape parameter of AC breakdown strength at different temperatures

3 硅凝膠的熱老化特性

在熱老化過程中，硅凝膠材料分子鏈會(huì)逐漸發(fā)生熱氧化、熱降解和熱裂解反應(yīng)[34]。熱氧化、熱降解和熱裂解的反應(yīng)方程式如圖5 所示。圖5(a)為熱氧化反應(yīng)過程，硅凝膠的側(cè)鏈基團(tuán)在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)。圖5(b)為熱降解反應(yīng)過程，Si-O 鍵既是共價(jià)鍵也是離子鍵，在高溫條件下Si-O 結(jié)構(gòu)受熱分解，出現(xiàn)降解現(xiàn)象。圖5(c)為熱裂解反應(yīng)過程，在熱作用下，硅凝膠分子鏈斷裂生成小分子，相較于熱氧化和熱降解反應(yīng)，熱裂解會(huì)在更高溫度和更長(zhǎng)老化周期下發(fā)生。

圖5 硅凝膠分子鏈的熱氧化、熱降解和熱裂解反應(yīng)Fig.5 Thermal oxidation, thermal degradation and pyrolysis of silicon gel molecular chains

3.1 硅凝膠的介電-熱老化特性

圖6 是在老化溫度為150℃的長(zhǎng)期熱應(yīng)力作用下，未老化、老化500 h和老化1 000 h硅凝膠試樣在測(cè)試溫度為30℃和150℃下的ε'和tanδ頻譜圖。

圖6 不同熱老化時(shí)間下硅凝膠樣品的介電特性Fig.6 Dielectric properties of silicone gel samples at different thermal ageing time

從圖6(a)可以看出，經(jīng)過不同時(shí)間的熱老化，有機(jī)硅凝膠材料的ε'均隨頻率的升高而降低，在2.1中分析了頻率對(duì)樣品介電特性的影響，此處不再贅述。長(zhǎng)期熱應(yīng)力作用下有機(jī)硅凝膠材料的ε'相比無熱應(yīng)力作用時(shí)明顯增加，隨著熱應(yīng)力作用時(shí)間的延長(zhǎng)，ε'也隨之增加，在測(cè)試溫度為30℃時(shí)，老化500 h和1 000 h 的硅凝膠樣品ε'較未老化樣品分別提高了32.4%和52.6%，說明有機(jī)硅凝膠內(nèi)部粒子的極化現(xiàn)象更加劇烈。在熱老化的早期，樣品的交聯(lián)密度由于熱氧化反應(yīng)而增強(qiáng)，但在此階段高溫促進(jìn)材料產(chǎn)生極性偶極子對(duì)ε'起主導(dǎo)作用；而隨著高溫老化時(shí)間逐漸增加，硅凝膠材料在長(zhǎng)時(shí)間熱應(yīng)力的作用下出現(xiàn)熱降解和熱裂解現(xiàn)象，硅凝膠結(jié)構(gòu)分子式中鍵能較低的化學(xué)鍵受熱斷裂分解，自由基增多，使得材料的極化弛豫現(xiàn)象更加突出，因此ε'隨熱老化時(shí)間增加而增大。

從圖6(b)可以看出，測(cè)試溫度不影響tanδ的變化趨勢(shì)，經(jīng)過不同時(shí)間的熱老化，有機(jī)硅凝膠材料的tanδ均隨頻率的升高而降低，在高頻下穩(wěn)定在10-4量級(jí)。頻率對(duì)樣品介質(zhì)損耗的影響分析見2.1節(jié)。進(jìn)一步分析圖6(b)老化時(shí)間對(duì)介質(zhì)損耗的影響可知，在低頻段（10-1～101Hz），樣品的介質(zhì)損耗在老化500 h 后減小，而在老化1 000 h 后增大。這是由于在熱老化前期，硅凝膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，交聯(lián)密度增加，側(cè)鏈基團(tuán)更加穩(wěn)定不易斷裂，介質(zhì)損耗減少，而長(zhǎng)時(shí)間熱作用會(huì)破壞分子結(jié)構(gòu)，極性基團(tuán)密度和可動(dòng)性升高，介質(zhì)損耗增大。介質(zhì)損耗也可以認(rèn)為由交流損耗和直流損耗組成，低頻下交流損耗幾乎不變，直流損耗對(duì)介質(zhì)損耗的影響占主導(dǎo)地位，而隨著熱作用時(shí)間的延長(zhǎng)，直流損耗先減小后增大，進(jìn)而導(dǎo)致低頻下的介質(zhì)損耗先減小后增大。

3.2 硅凝膠的電導(dǎo)-熱老化特性

載流子的遷移率和濃度是影響體積電導(dǎo)率的主要因素。在85℃下對(duì)硅凝膠樣品進(jìn)行老化處理，測(cè)試樣品在不同老化時(shí)間下的直流電導(dǎo)率，繪制出樣品的直流電導(dǎo)率隨老化時(shí)間的變化曲線如圖7所示。從圖7 可以看出，硅凝膠樣品的直流電導(dǎo)率隨著老化時(shí)間的增加先減小后增大，這與3.1 中熱老化時(shí)間對(duì)介質(zhì)損耗的影響相似，說明交聯(lián)密度對(duì)直流電導(dǎo)率的影響更重要。硅凝膠的交聯(lián)密度隨著熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低，短時(shí)間內(nèi)熱老化會(huì)進(jìn)一步完善樣品的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，深陷阱能級(jí)與密度增大抑制了帶電離子的脫陷和遷移過程，導(dǎo)致離子遷移率減小，交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密，自由體積相對(duì)減小，載流子運(yùn)動(dòng)需要克服更高的勢(shì)壘能級(jí)，使體積電導(dǎo)率略有降低[35]。而長(zhǎng)時(shí)間熱老化使樣品發(fā)生了熱降解和熱裂解反應(yīng)，破壞了分子間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致交聯(lián)密度下降，樣品載流子濃度增多，加速離子遷移，導(dǎo)致體積電導(dǎo)率增大。

圖7 不同熱老化時(shí)間下硅凝膠的直流電導(dǎo)率Fig.7 DC conductivity of silicone gel with different thermal ageing time

3.3 硅凝膠的擊穿-熱老化特性

圖8為不同老化時(shí)間下硅凝膠交流擊穿強(qiáng)度的Weibull分布圖，其特征參數(shù)見表3。

圖8 不同老化時(shí)間下硅凝膠交流擊穿強(qiáng)度的Weibull分布圖Fig 8 Weibull plots of the AC breakdown strength for silicone gel at different thermal ageing time

表3 不同老化時(shí)間下交流擊穿強(qiáng)度的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)Tab.3 The scale parameter and shape parameter of AC breakdown strength at different thermal ageing time

從表3 可以看出，硅凝膠的交流擊穿強(qiáng)度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，這是因?yàn)樵跓崂匣^程中硅凝膠出現(xiàn)體積膨脹和熱變形，單位體積內(nèi)分子數(shù)減少，使電子的自由行程增加，更利于自由電子在材料中加速遷移，電子間更容易發(fā)生碰撞電離，根據(jù)雪崩擊穿模型，此時(shí)載流子數(shù)迅速增加，導(dǎo)致樣品更容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文對(duì)硅凝膠進(jìn)行了高溫試驗(yàn)與熱老化試驗(yàn)，對(duì)不同溫度和不同老化周期的樣品進(jìn)行介電性能、體積電導(dǎo)率和擊穿強(qiáng)度測(cè)試，并分別從以上三個(gè)方面分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）溫度升高會(huì)加劇硅凝膠內(nèi)部的分子熱運(yùn)動(dòng)，阻礙粒子極化，但促進(jìn)材料釋放出更多的偶極子，使其復(fù)介電常數(shù)實(shí)部降低，低頻下的介質(zhì)損耗增加；同時(shí)溫度升高會(huì)促進(jìn)材料釋放出更多的載流子，使載流子濃度升高，直流電導(dǎo)率隨之升高；溫度升高還會(huì)使電子的碰撞電離現(xiàn)象更加顯著，降低樣品的擊穿強(qiáng)度。

（2）在長(zhǎng)期的熱應(yīng)力作用下，硅凝膠出現(xiàn)熱氧化、熱降解和熱裂解等反應(yīng)，加劇了極化弛豫現(xiàn)象，使復(fù)介電常數(shù)實(shí)部增加；隨著老化時(shí)間的增加，低頻下主導(dǎo)介質(zhì)損耗的直流損耗先減小后增大，并且硅凝膠交聯(lián)密度先增大后減小，導(dǎo)致低頻介質(zhì)損耗先減小后增大；在熱老化過程中，直流電導(dǎo)率受交聯(lián)密度影響呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；老化周期延長(zhǎng)，硅凝膠體積膨脹增加了電子的自由行程，破壞了分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致極化現(xiàn)象加劇，擊穿強(qiáng)度降低。

（3）基于對(duì)硅凝膠高溫特性和熱老化特性的分析，老化過程中由于硅凝膠被氧化導(dǎo)致其絕緣性能降低，因此可以考慮在硅凝膠中加入抗氧化劑提高硅凝膠的耐熱性能。