Investigation of temperature-dependent DC breakdown mechanism of EP/TiO2 nanocomposites

材料科学 空间电荷 纳米复合材料 电场 电介质 化学物理 电气故障 介电强度 分子动力学 纳米颗粒 纳米技术 化学 光电子学 计算化学 电子 物理 量子力学
作者
Zhen Li,Yongsen Han,Ji Liu,Daomin Min,Shengtao Li
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:121 (5) 被引量:21
标识
DOI:10.1063/5.0097351
摘要

In dielectric science, the electrical breakdown strength of a polymeric material significantly decreases with elevated temperatures, which restricts the development of advanced electrical and electronic applications toward miniaturization. In the present study, to clarify the temperature-dependent DC breakdown mechanisms of epoxy resin (EP)/TiO2 nanocomposites, the effects of nanoparticle incorporation and temperature on charge transport and molecular chain dynamics were studied. The results indicate that space charge accumulation and electric field distortion are reduced by nanoparticle incorporation to enhance the deep trap level, while space charge accumulation, electric field distortion, and molecular displacement are all accelerated as temperature increases. To further investigate the influence of carrier traps and molecular chain dynamics on temperature-dependent breakdown, a DC breakdown simulation model that involves bipolar charge transport, molecular chain dynamics, and breakdown criterion equations is established. The calculated breakdown strengths of EP/TiO2 nanocomposites show great accordance with the experimental results, which indicates that temperature-dependent DC breakdown mechanisms are dominated by the synergetic effects of carrier traps and segment chain dynamics. Through the analysis of the breakdown model, a transition of the dominant mechanism (from segment chain to backbone dynamics) near the glass-transition temperature for DC breakdown of EP/TiO2 nanocomposites is discovered.
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