空间电荷在工程电介质老化和击穿过程的作用逐步被人们所认识，空间电荷 是聚合物在直流高压作用下发生老化和击穿的主要原因之一。目前对空间电荷 是绝缘老化的原因或结果是有所争议的。传统的研究认为工作在高电场下的工 程电介质由于空间电荷的注入并积累使介质内部电场严重畸变甚至达到击穿场 强，加速介质的老化和击穿，相应的解释模型如电荷的注入和抽出理论，热电 子理论，光降解理论等都是在考虑介质处于外加电场作用下的空间电荷与介质 之间的相互作用。但是，最近的研究结果表明，外加电场并不是介质击穿的必 要条件，介质的击穿也可以发生在空间电荷的脱阱过程中。陷阱电荷周围束缚 有一定量的机械能，陷阱电荷的缓慢衰减伴随着束缚机械能的缓慢释放；当大 量陷阱电荷受到外界扰动而迅速释放时，急速释放的机械能可能导致介质的击 穿。本文研究了电子束辐照环境对聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate， PMMA) 介电性能的影响，重点研究了PMMA在完全没有外加电场下，由空间 电荷脱陷诱发的空间电荷击穿行为，以及无机纳米氧化物掺杂对PMMA空间电 荷击穿的影响。本文把在完全没有外加电场作用下，由空间电荷脱陷导致的介 质击穿称为空间电荷击穿(space charge breakdown)。研究介质的空间电荷击穿 机理对于高压电力电缆、对于工作在带电粒子环境下的介质(如太空介质天线 等)的运行安全都有着十分重要的意义。 为了研究在完全没有外加电场下，空间电荷对电介质击穿的作用，设计实验 将空间电荷引入研究介质中，本文采用了电子束辐照。现有的有关辐照研究的 手册也提供电子束与各种材料相互作用后的最大行程，但往往没有提供辐照后 电荷空间分布的信息，而电荷空间分布信息的确定是本文实验设计的基础。本 文利用Monte-Carlo方法模拟受电子束辐照的PMMA样品中的空间电荷分布， 并以此结果辅助设计实验所需的电子束能量、样品厚度等实验参数。研究发现， 模拟计算获得的空间电荷分布与利用压力波 (Pressured Wave Propagation，PWP) 测量结果吻合地很好，模拟计算的结果为实验设计提供了有用的依据。 用压力波法(PWP)，红外吸收光谱法(IR)，介电频谱法，压汞法(Mercury porosimetry)，介电泄漏电流法等研究了电子束辐照对PMMA介电性能的影响。 结果表明，PMMA 中存在较多的陷阱，易于捕获电荷；受电子束辐照作用的 PMMA样品，其内部空隙度有较为明显的变化，这会造成样品介电系数的减少， 但PMMA中极性侧基团在存储于介质中的空间电荷构成的内电场作用下极化增 强，会导致样品介电系数的增加。受辐照样品的介电系数需由样品的孔隙度变 化和样品内电场分布情况共同决定。样品电导率的变化与辐照感应电导率有关。 利用外加扰动的方法使注入 PMMA 样品中的空间电荷脱陷，研究空间电荷 击穿的诱发和影响空间电荷击穿的诸多因素。实验结果表明，沉积在PMMA中 的空间电荷处于一种不稳平衡的状态，空间电荷在通常情况下是缓慢脱陷衰减 的，这不会导致介质的击穿；而空间电荷的急速脱陷伴随着被空间电荷束缚的 机械能的急速释放将导致空间电荷的击穿，外界扰动如外加应力，外界扰动电 场，激光脉冲，电子束辐照等都可以诱发空间电荷的脱陷。研究还发现，空间 电荷击穿存在阈值电荷密度条件，当电荷密度小于阈值电荷密度时，就不会诱 发空间电荷击穿。讨论了空间电荷击穿传播的条件，并初步建立模型解释PMMA 中的空间电荷击穿行为。 研究掺杂了无机纳米氧化物SiO2，Al2O3和BaTiO3的PMMA中的电荷衰减 和空间电荷击穿行为。实验结果表明，无机纳米粉末掺杂可以提高PMMA样品 的深陷阱能级密度，掺杂粉末的重量比例增加时，粉末颗粒之间的作用增强， 材料的电导率可能会增加。相同粉末的不同重量比例和相同重量比例的不同粉 末对有机玻璃复合材料的空间电荷击穿行为有着明显不同的作用。具有较高介 电常数的纳米粉末对抑制空间电荷击穿行为的作用更为明显，而适当重量比例 的纳米粉末将对有机玻璃复合材料的空间电荷击穿的抑制作用最为明显。纳米 添加剂明显改变样品的局域能级状态，影响PMMA样品的空间电荷击穿行为。 关键词：PMMA，电子束辐照，介电性能，空间电荷击穿，纳米复合聚合物