彈性體簡(jiǎn)介

彈性體材料是一類(lèi)具有卓一越彈性和形變恢復(fù)能力的高分子材料，其核心特征在于受力后可發(fā)生顯著形變，并在去除外力后迅速恢復(fù)原狀。彈性體材料包括傳統(tǒng)彈性體（如NR天然橡膠、丁腈橡膠NBR等）、熱塑性彈性體TPE、特種彈性體（如氟橡膠FKM、形狀記憶彈性體等）三大類(lèi)。彈性體材料由于其獨(dú)---特的彈性、穩(wěn)定的電氣性能，以及眾多的品種，使之逐漸在各大電力電子產(chǎn)品中出現(xiàn),如電力電纜、電力附件、接線盒以及電力電子封裝等等。在這些應(yīng)用中，材料的介電強(qiáng)度這一性能成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要參考性能，也影響著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、適用范圍以及使用壽命。這項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)異與否,決定了產(chǎn)品的應(yīng)用表現(xiàn)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

彈性體的介電強(qiáng)度

材料介電強(qiáng)度的測(cè)試成為一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的參考性測(cè)試，在很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中作為重要參考指標(biāo)。但在我們實(shí)際工作中卻發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：介電強(qiáng)度的測(cè)試很容易受各種因素的影響從而使測(cè)試結(jié)果與產(chǎn)品的實(shí)際表現(xiàn)有偏差。

在不同配方材料的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往發(fā)現(xiàn)介電強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)較高的材料，未必在實(shí)用中能獲得很好的應(yīng)用結(jié)果；而介電強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)較低的材料，有時(shí)卻能獲得較好的應(yīng)用結(jié)果。相同的最終產(chǎn)品，使用不同的材料，引起不同的結(jié)果，通常是生產(chǎn)工藝的不穩(wěn)定造成的，其次才是材料本身的原因。但是排除了工藝原因后，我們發(fā)現(xiàn)介電強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的不可靠性也會(huì)引起產(chǎn)品表現(xiàn)的差異。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

目前我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，用于測(cè)試彈性體材料介電強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T1408.1和GB/T1695。GB/T1408.1針對(duì)的是通常意義的絕緣材料、熱固性材料、熱塑性材料。GB/T1695針對(duì)的是橡膠材料,參考了ASTMD149標(biāo)準(zhǔn)。但兩份標(biāo)準(zhǔn)都只作了軟質(zhì)和硬質(zhì)兩種區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，這樣的區(qū)分對(duì)于如硅橡膠彈性體這種硬度相差較大的種類(lèi)，就產(chǎn)生了一些問(wèn)題。

正是由于標(biāo)準(zhǔn)的不明確,為彈性體的介電強(qiáng)度檢測(cè)造成了一定的誤解和誤操作。目前IEC正在修訂IEC60243，希望能在以后的新版本中獲得更多彈性體的測(cè)試方案。

影響因素分析

1.材料硬度

我們認(rèn)為，材料硬度是造成測(cè)試結(jié)果不可靠的關(guān)鍵性因素。對(duì)于硅橡膠來(lái)說(shuō),從非常軟的凝膠到非常硬的固體膠，范圍非常廠。研究發(fā)現(xiàn)，邵爾A硬度大于50的硅橡膠材料，其介電強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果比較穩(wěn)定，受硬度影響小；而邵爾A硬度小于50的材料，則會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定。

在邵爾A硬度20~50范圍內(nèi)，材料在介電強(qiáng)度的測(cè)試中很容易產(chǎn)生偏差。這個(gè)硬度范圍在GB標(biāo)準(zhǔn)中通常屬于軟質(zhì)橡膠，使用1mm試片測(cè)試。但由于材料比較軟，厚度薄，所以在實(shí)驗(yàn)前測(cè)試厚度的精度就不容易掌握，容易產(chǎn)生偏差在放置試片進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候也容易產(chǎn)生變形，加載電極時(shí)因?yàn)殡姌O質(zhì)量而產(chǎn)生壓扁現(xiàn)象，從而徹一底影響測(cè)試結(jié)果(如圖所示)。變形后，材料測(cè)試厚度變薄，使材料實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)偏小，不能真實(shí)反映材料的實(shí)際性能。

符合IEC60243-1的典型電極裝置（電極質(zhì)量致使材料被壓縮）

邵爾A硬度小于20的硅橡膠基本以凝膠為主，材料硬度很低，力學(xué)強(qiáng)度低，有自粘性。這類(lèi)膠應(yīng)使用GB/T 1408.1中5.1.9“充填膠球狀電極方法"測(cè)試。但由于凝膠本身具有較強(qiáng)的自粘性，這種方法在材料制樣及電極放置時(shí)，很難避免空氣夾雜和與電極的完一全貼合，造成測(cè)試結(jié)果波動(dòng)范圍很大，失去了實(shí)際應(yīng)用的參考價(jià)值(見(jiàn)下圖)

符合GB/T 1408.1的埋入式電極裝置(電極被測(cè)試材料所包裹)

2.電極

電極也是影響測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性的一個(gè)因素。

目前的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)使用的是如下圖所示的典型電極裝置。圓柱形電極的直徑可以有所不同。這類(lèi)裝置的優(yōu)勢(shì)在于片狀樣品易于制備和加工。可惜的是，樣品界面不可避免地會(huì)產(chǎn)生預(yù)擊穿放電，引發(fā)不必要的電應(yīng)力，造成界面擊穿。這種受干擾的測(cè)量數(shù)值與材料的實(shí)際值是存在差異的。如1mm厚的片狀有機(jī)硅彈性體樣品的介電強(qiáng)度在20~40kV/mm之間(具體取決于不同的電極裝置),即使材料的一些明顯改性(塑化、交聯(lián)度等)也不會(huì)引起介電強(qiáng)度的劇烈變化。因此，這種測(cè)試有機(jī)硅彈性體的方法是有局限性的。

符合IEC 60243-1的典型電極裝置

如果利用下圖(a)所示的埋入式電極測(cè)量，那么有機(jī)硅彈性體的介電強(qiáng)度會(huì)超過(guò)100kV/mm。使用埋入式電極裝置測(cè)量，硬度等參數(shù)對(duì)介電強(qiáng)度有著明顯的影響。

由于一些彈性體(例如三元乙丙橡膠)要制備成填充樣品比較復(fù)雜，所以常常采用片狀樣品澆注的方法。

(a)硅橡膠作為測(cè)試樣品和填充材料；(b)片狀測(cè)試樣品被嵌入在有機(jī)硅凝膠或固化RTV-2彈性體等固體填充材料中

避免預(yù)擊穿放電的埋入式電極裝置

大量研究表明，適當(dāng)?shù)慕?jīng)典電極裝置與合適的填充材料組合，也能夠獲得與埋入式電極所用樣品相同級(jí)別的介電強(qiáng)度，并有利于更好地研究材料改性。

多種電極選擇以及實(shí)驗(yàn)方法的不同，造成我們實(shí)際檢測(cè)中選型的困難，也加大了不同材料對(duì)比的難度。

另一方面，無(wú)論是IEC標(biāo)準(zhǔn)還是GB標(biāo)準(zhǔn)，都沒(méi)有對(duì)測(cè)試時(shí)上電極的負(fù)載做明確的說(shuō)明。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將電極加載在試樣上，為了保證與試樣的緊密貼合，會(huì)人為施加一個(gè)壓力在上面，這個(gè)壓力的不確定性，增加了被測(cè)試片變形的不確定性，造成誤差。由于無(wú)明確負(fù)載說(shuō)明，所以各廠家生產(chǎn)的電極也會(huì)有質(zhì)量偏差，造成進(jìn)步的不確定性。

3.試樣表面質(zhì)量

試樣表面質(zhì)量也影響著測(cè)試結(jié)果。通常我們都會(huì)關(guān)注試樣表面的清潔程度，但也有些地方容易被忽略。

(1)平整度：試樣表面如有凹陷或缺陷，將會(huì)影響電極貼合程度，影響測(cè)試結(jié)果。

(2)光滑程度：現(xiàn)在有些模具經(jīng)過(guò)噴砂或特氟龍?zhí)幚?。這種模具制成的樣片，表面均有細(xì)小的波動(dòng)，通常情況下影響不大，但測(cè)試波動(dòng)有時(shí)會(huì)在0.5 k左右。

(3)試樣內(nèi)部缺陷：這是最容易忽略的地方，特別是使用液體硅橡膠或凝膠制樣時(shí)。由于材料黏度小，容易裹夾空氣，再內(nèi)部形成細(xì)小的氣孔。這些氣孔在外表面是很難被發(fā)現(xiàn)的，但卻會(huì)極大地影響測(cè)試結(jié)果。