Tính chất điện của silicon: Độ bền điện môi, điện trở suất và những điểm mà lớp cách điện thực sự bị hỏng.

Hầu hết các thông số kỹ thuật đều coi silicone là "chất cách điện" — một từ, một đặc tính, được lấy từ bảng biểu. Linh kiện vượt qua bài kiểm tra điện áp cao tại nhà máy. Nó được xuất xưởng. Trong năm đầu tiên, nó hoạt động đúng như những gì bảng thông số kỹ thuật đã hứa.

Sau đó, một đầu nối cao áp trong trạm biến áp ven biển bắt đầu xuất hiện hiện tượng phóng điện bề mặt. Một đầu nối thanh dẫn điện đã vượt qua kiểm tra điện môi nhưng sau ba mùa đông tiếp xúc với sương muối lại xuất hiện vết carbon trên bề mặt. Vật liệu chính không hề thay đổi. Lỗi này sẽ không bao giờ được phát hiện trong thử nghiệm điện môi trên bàn thí nghiệm, vì thử nghiệm đó đo sai thông số cần thiết cho ứng dụng cụ thể.

Silicone là chất cách điện mạnh — điện trở suất thể tích khoảng 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm và độ bền điện môi 18–25 kV/mm — nhưng “cách điện” là bốn con số riêng biệt, chứ không phải một, và sự hỏng hóc dẫn đến hỏng hầu hết các linh kiện điện áp cao là do hiện tượng phóng điện bề mặt, chứ không phải do sự phá vỡ khối lượng. Cùng một loại polymer cơ bản cũng được dùng để sản xuất các loại bán dẫn và dẫn điện hoàn toàn; hệ thống chất độn, chứ không phải bản thân silicone, quyết định tính chất điện của chúng. Đây là vị trí của các ranh giới và cách thức xác minh từng ranh giới đó.

Tóm tắt

• Độ bền điện môi là một thông số phụ thuộc vào độ dày, chứ không phải là hằng số vật liệu. Mức điện áp định mức 23 kV/mm trên mẫu dày 1 mm không có nghĩa là đạt được 230 kV ở độ dày 10 mm — giá trị kV/mm giảm khi độ dày tiết diện tăng và tiếp tục giảm khi nhiệt độ tăng.
• Các linh kiện điện áp cao thường bị hỏng ở bề mặt chứ không phải bên trong. Tiêu chuẩn IEC 60587 quy định tuổi thọ ngoài trời và điện áp cao (HV) về hiện tượng ăn mòn và xói mòn do ô nhiễm. Silicone vượt trội hơn về khả năng phục hồi tính kỵ nước, nhưng đó là một đặc tính khác và một phép thử khác so với độ bền điện môi tổng thể.
• Phần bổ sung này xác định loại điện. Vật liệu VMQ không chứa chất độn có điện trở suất 10¹⁵ Ω·cm; các loại có chứa carbon dẫn điện ở mức 10⁰–10² Ω·cm. Việc ghi nhãn “silicone” không nói lên điều gì về việc vật liệu đó cách điện hay dẫn điện.

Ý nghĩa thực sự của từ “Cách nhiệt”: Bốn con số, chứ không phải một.

Một bản đặc tả điện hữu dụng phân tách bốn đặc tính, mỗi đặc tính có bài kiểm tra riêng và chế độ hỏng hóc riêng. Việc coi chúng như một chỉ số "cách điện" duy nhất là nguyên nhân dẫn đến hầu hết các trường hợp không đạt tiêu chuẩn.

Hệ số tổn hao thấp và hằng số điện môi ổn định là lý do tại sao silicon xuất hiện trong các đầu nối RF và các nón chịu ứng suất cao áp — nó lưu trữ và giải phóng điện tích một cách có thể dự đoán được và lãng phí rất ít điện năng dưới dạng nhiệt. Nhưng không có thông số nào trong số này dự đoán được hành vi bề mặt thực sự chi phối hoạt động ngoài trời.

Độ bền điện môi là một giá trị phụ thuộc vào độ dày, chứ không phải là hằng số vật liệu.

Đây là con số bị hiểu sai nhiều nhất trong bảng dữ liệu silicon. Độ bền điện môi được báo cáo bằng kV/mm, và mọi người thường ngầm cho rằng nó tỷ lệ tuyến tính. Thực tế không phải vậy.

Khi độ dày tiết diện tăng lên, độ dốc điện áp đánh thủng giảm xuống — một phần vì các tiết diện dày hơn giữ nhiệt nhiều hơn trong quá trình thử nghiệm, một phần vì xác suất thống kê về sự hình thành lỗ rỗng bên trong hoặc cụm vật liệu độn nằm trong vùng cách điện tăng lên. Một loại cách điện có chỉ số 23 kV/mm ở độ dày 1 mm có thể chỉ cho ra điện áp bằng khoảng một nửa con số đó trên mỗi milimet trong một lớp cách điện dày 6 mm. Việc thiết kế một chất cách điện dày dựa trên số liệu từ mẫu mỏng là nguyên nhân dẫn đến việc sản phẩm bị thủng ở điện áp thấp hơn điện áp định mức.

Còn hai yếu tố nữa ảnh hưởng đến số lượng sản phẩm:

• Nhiệt độ. Độ bền điện môi giảm khi vật liệu nóng lên. Một lớp bọc có định mức 23°C sẽ có đặc tính khác khi đặt cạnh thanh dẫn điện 150°C. Hãy kết hợp điều này với đặc tính nhiệt của vật liệu.
• Các lỗ rỗng và độ xốp. Các túi khí do quá trình khử khí không hoàn toàn hoặc tia lửa bị kẹt trở thành các điểm phóng điện cục bộ. Chúng trải qua quá trình điện áp cao ngắn hạn và sau đó ăn mòn polyme xung quanh trong nhiều tháng.

ASTM D149 Tiêu chuẩn IEC 60243 cũng cho phép phòng thí nghiệm lựa chọn phương pháp cấp điện áp ngắn hạn, từng bước hoặc tốc độ chậm, và hình dạng điện cực cũng như môi trường xung quanh (không khí so với dầu) đều ảnh hưởng đến kết quả. Một giá trị độ bền điện môi mà không kèm theo điều kiện thử nghiệm thì không thể so sánh được giữa các nhà cung cấp.

Điện trở suất và đầu dẫn điện của dải đo

Từ “silicone” không cho bạn biết gì về khả năng dẫn điện. Tương tự như vậy, Cấu trúc xương sống Si–O bao gồm bốn thập kỷ điện trở suất tùy thuộc vào chất độn:

• Cách ly VMQ: 10¹⁴–10¹⁵ Ω·cm. Tiêu chuẩn cho ủng, ống bọc, bao bọc.
• Các loại bán dẫn: ~10³–10⁶ Ω·cm, được sử dụng để phân cấp ứng suất tại các đầu nối cáp cao áp nhằm kiểm soát điện trường.
• Dẫn điện (có chứa muội than): 10⁰–10² Ω·cm, được sử dụng cho các gioăng chắn EMI/RFI, các bộ phận ESD và các viên tiếp xúc carbon trong bàn phím silicon.

Việc thêm chất độn tạo nên tính dẫn điện cũng làm thay đổi tính chất cơ học — các loại silicone dẫn điện thường cứng hơn, độ giãn nở thấp hơn và dễ bị biến dạng do nén hơn so với silicone không pha trộn. Tính dẫn điện không phải là điều miễn phí. ASTM D257 Tiêu chuẩn IEC 60093 đề cập đến cả điện trở suất bề mặt và điện trở suất thể tích, và hai giá trị này sẽ khác biệt rõ rệt khi một bộ phận bị nhiễm bẩn, đây chính là cầu nối dẫn đến chế độ hỏng hóc quan trọng nhất.

Hiện tượng ăn mòn và rò rỉ bề mặt: Nơi mà silicon chịu điện áp cao thực sự bị hỏng

Độ bền điện môi tổng thể hiếm khi là nguyên nhân gây hỏng linh kiện điện áp cao đặt ngoài trời. Mà chính là hiện tượng phóng điện bề mặt. Dưới tác động của ô nhiễm và độ ẩm, dòng điện rò rỉ tập trung thành các dải khô, tạo thành hồ quang và từ từ cacbon hóa một đường dẫn điện trên bề mặt. Một khi đường dẫn đó xuyên qua linh kiện, điện trở suất tổng thể không còn quan trọng nữa.

Ưu điểm thực sự của silicone ở đây là khả năng chống thấm nước — và cụ thể là... phục hồi tính kỵ nước. Nước sẽ đọng thành giọt thay vì tạo thành màng, giúp giữ cho dòng rò rỉ ở mức thấp; ngay cả sau khi bề mặt bị ướt hoặc nhiễm bẩn tạm thời, các chuỗi phân tử trọng lượng thấp sẽ di chuyển lên bề mặt và khôi phục khả năng chống thấm nước. Đây là lý do tại sao cao su silicon đã thay thế EPDM và sứ trong các chất cách điện cao áp và phụ kiện cáp. Đó là một đặc tính hóa học bề mặt, chứ không phải đặc tính khối, và nó liên quan đến hành vi kỵ nước rộng hơn của vật liệu.

Nhưng khả năng chống thấm nước không phải là vô hạn. Dưới tác động của hiện tượng phóng điện hồ quang khô kéo dài, bề mặt sẽ bị ăn mòn, và điện trở bề mặt phụ thuộc rất nhiều vào chất độn — nhôm trihydrat (ATH) Chất này được thêm vào đặc biệt để cải thiện khả năng theo dõi và chống xói mòn bằng cách giải phóng nước và tạo thành cặn vô cơ bảo vệ. Các thử nghiệm điều chỉnh khác với bất kỳ điều gì ở trên:

• IEC 60587 — Theo dõi và xói mòn trên mặt phẳng nghiêng, thử nghiệm ngoài trời HV cốt lõi
• IEC 60112 (CTI) — Chỉ số theo dõi so sánh cho thiết kế rò rỉ điện áp thấp
• ASTM D495 — điện trở hồ quang cao áp

Một nhóm chỉ tập trung vào thông số kỹ thuật về độ bền điện môi tổng thể cho một linh kiện ngoài trời đã kiểm tra đặc tính ít có khả năng bị hỏng nhất và bỏ qua đặc tính có khả năng bị hỏng cao nhất.

Lão hóa, phóng điện cục bộ và sự trôi dạt chậm

Tính chất điện của silicone được duy trì trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn so với cao su hữu cơ — khoảng từ -50°C đến 200°C với sự thay đổi nhỏ về điện trở suất và hằng số điện môi. Tính ổn định đó là có thật và là lý do chính đáng để lựa chọn nó. Sự thay đổi đến từ cơ học, chứ không phải do các yếu tố khác. hoá học.

Trong ứng dụng bịt kín hoặc đổ khuôn, biến dạng nén tạo ra các khe hở siêu nhỏ theo thời gian. Những khe hở đó trở thành vị trí phóng điện cục bộ. Phóng điện cục bộ không phá vỡ chi tiết ngay lập tức; nó ăn mòn polymer tại thành khe hở, từ từ, cho đến khi hình thành một đường dẫn — thường là nhiều năm sau khi kiểm tra điện áp cao tại nhà máy. Chi tiết không bị giảm độ bền điện môi. Nó phát triển một hình dạng bên trong mà thử nghiệm ban đầu không hề thấy. Đây là điểm mà các nhóm kiểm định bỏ sót: quá trình kiểm định chỉ ghi nhận chi tiết ở trạng thái khi được đúc, chứ không phải chi tiết ở trạng thái sau khi đúc. già và nén.

Vì sao các đội lại đánh giá thấp điều này?

Mô hình này nhất quán. "Silicone là chất cách điện" là đúng, vì vậy nó được coi là một thuộc tính nhị phân duy nhất và thông số kỹ thuật dừng lại ở đó. Ba vấn đề sau đó không được đề cập đến.

Thứ nhất, độ bền điện môi được đọc như một hằng số có thể điều chỉnh, vì vậy các phần dày được thiết kế dựa trên dữ liệu từ các mẫu mỏng và biên độ an toàn biến mất một cách âm thầm. Thứ hai, sự đánh thủng khối được kiểm tra trong khi sự rò rỉ bề mặt — chế độ hỏng hóc thực tế ngoài trời — không bao giờ được chỉ định, bởi vì nó yêu cầu một tiêu chuẩn khác mà hầu hết người mua không biết để yêu cầu. Thứ ba, linh kiện được kiểm định theo trạng thái đúc, vì vậy sự ăn mòn do phóng điện cục bộ và các khe hở do biến dạng nén phải mất nhiều năm mới hình thành không bao giờ xuất hiện trong quá trình kiểm định.

Đây không phải là do thiếu năng lực. Vấn đề là thuộc tính chính dễ tìm thấy, còn các thuộc tính chi phối lại không được hiển thị ở trang đầu của bảng dữ liệu.

Những thứ tôi cần trước khi xác nhận điểm số

Trước khi tôi xác định cấp độ điện, hệ thống chất độn và quá trình đóng rắn, hãy gửi các điều kiện thực tế ảnh hưởng đến các con số này:

• Điện áp hoạt động, dạng sóng (DC / AC / xung) và chu kỳ làm việc liên tục so với chu kỳ làm việc tạm thời.
• Phần tường cách nhiệt mỏng nhất trong thiết kế.
• Trong nhà hay ngoài trời, mức độ ô nhiễm/nhiễm bẩn và độ ẩm
• Nhiệt độ hoạt động và nhiệt độ cực đại tại bộ phận
• Cho dù bộ phận đó phải cách điện, chịu ứng suất (bán dẫn) hay dẫn điện.
• Mục tiêu tuân thủ: UL 746 (RTI), cấp theo dõi IEC 60587 và bất kỳ xếp hạng khả năng cháy nào, liên quan đến hành vi của ngọn lửa và đám cháy của cấp độ đó.

Với những thông tin đó, tôi có thể cho bạn biết liệu chất cách điện VMQ tiêu chuẩn có đáp ứng yêu cầu hay không, liệu bạn có cần loại chống phóng điện bề mặt chứa ATH hay không, hoặc liệu ứng dụng đó yêu cầu hợp chất bán dẫn hay dẫn điện. Nếu không có điện áp, độ dày thành và môi trường, bất kỳ thông số điện môi nào tôi cung cấp cho bạn đều chỉ mô tả mẫu thử, chứ không phải linh kiện của bạn.

Tài liệu tham khảo & Tiêu chuẩn

• ASTM D149 — Điện áp đánh thủng điện môi và độ bền điện môi của vật liệu cách điện rắn — ASTM Quốc tế
• ASTM D257 — Điện trở hoặc độ dẫn điện DC của vật liệu cách điện — ASTM Quốc tế
• ASTM D150 — Đặc tính tổn hao điện xoay chiều và hằng số điện môi của vật liệu cách điện rắn — ASTM Quốc tế
• ASTM D495 — Khả năng chống hồ quang khô, điện áp cao, dòng điện thấp của vật liệu cách điện rắn — ASTM Quốc tế
• IEC 60587:2022 — Khả năng chống phóng điện bề mặt và ăn mòn của vật liệu cách điện — Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế
• IEC 60112 — Chỉ số theo dõi so sánh (CTI) — Giải pháp UL
• Tiêu chuẩn UL 746B — Vật liệu polyme, Đánh giá tính chất dài hạn (RTI) — Tiêu chuẩn và cam kết của UL
• Nhôm trihydrat (ATH) / Nhôm hydroxit — Cơ chế chống cháy — Các chủ đề trên ScienceDirect