微纳尺度电气击穿特性和放电规律研究综述

微纳尺度电气击穿特性和放电规律是当前国内外学者的研究热点。本文回顾了近70年来国内外学者在该领域的主要研究工作和成果,重点从研究手段、放电规律以及物理机制等方面对不同物理尺度介电系统(宏观尺度电极/微米间隙、微米尺度电极/微米亚微米间隙、纳米尺度电极/纳米亚纳米间隙)的放电击穿特性进行了总结,阐述了电极间隙、气压、电极材料和电极形状等因素的影响机制以及不同物理尺度介电系统的放电规律。通过对微纳尺度电气击穿特性和放电规律的概括和分析,发现当前存在的主要问题并指出下一步的研究方向,对丰富和完善微纳尺度放电击穿理论具有重要参考意义。     

工程电介质理论的回顾、思考及对策

回顾了在热力学(唯象理论)、统计力学、量子力学及固体物理等理论的基础上所建立的单相均匀介质的微观(电子、原子、离子、分子等)结构—宏观(介电、导电、击穿、老化等)性能之间的相互关系。由于工程电介质常用的高聚物绝缘材料是一类软物质,结构上具有极宽(10-10~10-3m)的空间尺度,运动单元和运动形式也有极宽的松弛时间谱(10-10~10-4s),同时为了改善单相材料的宏观性能,优化在不同外界因素作用下材料的综合性能,常采用多相复合电介质,其微观结构在空间上极为复杂,且运动时间尺度也极为广泛。因此,依据物理学的还原论和层展现象,提出了要建立这类材料的介观结构—宏观性能之间的相互关系,要从材料微观尺度与短时的破坏建立(或外推)出它的寿命目前仍有许多问题有待解决。并首次提出了如何从时空层次去深入理解和控制材料宏观性能的新概念。     

关于工程电介质中几个经常涉及的问题与思考

随着工程电介质领域研究的发展,诸多没有得到公认解释的问题逐渐出现,为此,本文提出了几个重要的问题及思考以供相关研究工作者参考。1994年Lewis首次提出了纳米电介质,2003年至今已成为工程电介质领域的研究热点,但从20余年该领域的研究内容、作者的原意以及新近又提出的纳米结构电介质来看,我们认为应把名称改为纳米电介质复合物,并按照低维物理对纳米电介质作了重新定义。分析了Lewis与Tanaka界面的具体含义,提出了纳米高聚物复合物硬/软界面及其具有结构复杂性、不确定性与易变性的新概念,并剖析了硬、软表面的尺度及理化特性。提出了从A Einstein还原论、P W Anderson的层展现象与R P Feynmann的思维方法以启迪相关研究的新思维。从空间电荷限制电流(SCLC)存在条件的约束和高聚物或其复合物中由于自身结构的多层次性、复杂界面、电极接触以及共存的电子与离子电导等因素的严重影响,提出了从欧姆区过渡到高场区(即电极注入的SCLC区)不完全是由一种与注入载流子相同的载流子决定的想法,特别是要严格审视在测量条件确定时,离子电导对低场与高场区电流的贡献。为此,列出了离子电导与电子电导的主要特征与区别方法。针对脉冲有关的测量空间电荷的方法,特别是已成为国际上测量空间电荷主流方法的脉冲电声(PEA)方法,提出了PEA的优点与不足之处,以及如何去校准测量结果的正确性、重复性,如依据高聚物结构的特征,建立压激电流(pressure stimulated current,PSC)装置,正确判断电子、离子、偶极子梯度产生的空间电荷,以弥补PEA测量的严重不足。     

EP/SiO_2/MMT微纳米复合材料耐电树枝性能

为了研究聚合物/无机微纳米复合物的耐电树枝性能,采用熔融共混法制备了环氧树脂/二氧化硅/蒙脱土(EP/SiO_2/MMT)微纳米复合材料,利用针–板电极系统同时配合数字摄像系统对纯EP及其复合材料试样进行电树枝引发并记录树枝的生长过程以及形貌特征,对比研究了4种试样的起树率、电树枝发展过程、电树枝长度、扩展系数和形态特征。实验结果表明:与纯环氧树脂相比,微米复合材料和微纳米复合材料起树率较低,而纳米复合材料和微纳米复合材料电树枝长度较短,在所研究的4种试样中,微纳米复合材料具有最大的扩展系数。利用景深合成技术,获得了环氧树脂及其复合材料中电树枝的叠层立体图像和电树枝通道细节,据此建立了EP/SiO_2/MMT微纳米复合材料电树枝发展的模型。     

聚酰亚胺 /纳米二氧化钛复合物的合成与性能研究

采用原位聚合方法制备了聚酰亚胺／纳米二氧化钛(TiO2)复合物，用TEM、FTIR研究了其形态结构及纳米颗粒在复合物中的分散性，用红外光谱验证了复合物中纳米颗粒的存在，同时分析研究了纳米复合物的机械、介电性能，结果表明：纳米颗粒在复合物中分散性良好；纳米TiO2的加入导致纳米复合物的常规机械、介电性能下降，但随着纳米TiO2含量的增加，复合材料的耐电晕能力和拉伸强度得到了提高。     

温度对纳米改性变压器油宽频介电谱特性的影响

纳米改性变压器油在绝缘性能和传热性能的优势已经得到了国内外学者的广泛认可,但现阶段大多数学者的研究多集中于纳米改性变压器油的宏观特性上,且对于其改性机理尚不明确,通过研究纳米油微观结构与电导、极化之间的相关性,可以为探索纳米油的改性机理以及推广实际应用提供一定的理论参考。该文主要研究了温度对纳米改性变压器油频域介电谱的影响,在10–2~106Hz频率范围内对纳米油介电谱特性进行了分析讨论。随着温度的增加,纳米油的直流电导率呈指数型增加;而在介电谱的中高频段,出现了一个明显的极化峰,随着温度的增加,极化峰峰值逐渐减小且向高频方向移动,Schwarz双电层极化理论可用来解释这一现象。     

介电分析技术在漆包线行业的应用

<正> 介电分析(Dielectrical Analysis)是利用仪器设备追踪高聚物在电场作用下与结构有关的介电行为,研究其结构与宏观性能之间关系的一个科学方法,藉此可以达到有效地控制高聚物聚合度的目的。国外从本世纪三十年代开始,介电分析技术从实验室逐渐走向工业生产,对高聚物的开发和应用起了一定的促进作用。当前,在漆包线行业的应用,主要集中在产品的质量检测和生产工艺的研究控制两方面。前者在国际电工委员会(IEC)有关标准中,对聚氨酯漆包线和聚酰亚胺漆包线已有明确的技术指标。后者在国外某些企业内部工艺控制中和产品样本中,也有具体的规定。     

高温聚合物薄膜电容器介电材料评述与展望

聚合物电介质材料以其高充放电速率、高功率密度、高击穿场强和自愈性等优点被广泛应用于静电电容器中。然而新能源汽车、光伏并网、油气勘探、航空航天等应用对聚合物电容器在高温下的介电储能性能提出了更高的要求。为此介绍了电介质材料的基本物理背景,综述了一些典型的高温介电聚合物,重点介绍了介电聚合物复合材料,包括表面处理聚合物、基于填料形貌分类的聚合物基纳米复合材料、三明治结构复合材料和聚合物–分子半导体全有机复合材料。还对复合材料的电荷注入和输运特性与基体和纳米粒子的界面微区特性的最新研究进展进行了介绍。最后对高温聚合物电介质材料的发展现状和存在的挑战进行了简要总结。     

纳米ZnO/低密度聚乙烯复合材料的介电特性

聚合物纳米复合材料因其优良的介电、机械等性能在电介质领域得到广泛的应用。纳米粒子改性聚乙烯基绝缘材料具有很好的研究价值及工程意义。该文主要研究了表面经分散剂处理的纳米ZnO粒子添加剂与低密度聚乙烯(LDPE)共混物的介电特性。结果表明5%含量的纳米ZnO添加剂能有效提高聚乙烯基复合材料的体积电阻率和交流击穿强度。同时纳米添加剂虽增加了体内的残余电荷,但能有效抑制电极同极性电荷的注入。另外由于聚合物纳米复合材料的界面特异性,使得介电常数随着纳米ZnO含量的增加呈先减小后增大趋势,而损耗值却线性增加。纳米ZnO/聚乙烯复合材料介电性能提高归因于纳米粒子与聚乙烯分子间类同于深陷阱的界面效应。     

聚合物纳米复合材料的界面特性

我国高压直流输电技术的发展对电介质材料的绝缘性能提出了更高的要求,聚合物纳米电介质材料以其优异的性能而受到广泛的关注,其中的界面更成为研究热点。界面是纳米填料与聚合物基体之间的纳米级过渡区域,由于形成机理特殊,其具有不同于聚合物基体和纳米填料的独特性质。由于界面在复合材料中占有主导地位,其微观结构及性能将直接影响复合材料的宏观性能。该文综合国内外研究成果,介绍了界面的形成机理和结构模型,论述了界面区对聚合物聚集态结构的影响及陷阱理论,分析了界面在复合材料电学性能中的作用机理,最后探讨了利用静电力显微镜研究界面微区介电特性的技术方法。     

高压和真空铜基触头材料的研究进展

综述了铜基电触头材料的研究进展,重点介绍和分析了高压和真空铜基触头材料的应用、制备工艺及性能研究,展望了高压和真空铜基触头在材料及制备工艺等方面的发展趋势。     

Ferroelectric Materials for Microwave Tunable Applications

A review of the properties of ferroelectric materials that are relevant to microwave tunable devices is presented: we discuss the theory of dielectric response of tunable bulk materials and thin films; the experimental results from the literature and from own work are reviewed; the correspondence between the theoretical results and the measured properties of tunable materials is critically analyzed; nominally pure, real (defected), and composite bulk materials and thin films are addressed. In addition, techniques for characterization of tunable ferroelectrics and applications of these materials are briefly presented.     

A brief intro to metamaterials

Metamaterials are new artificial materials with unusual electromagnetic properties that are not found in naturally occurring materials. All "natural" materials such as glass, diamond and such have positive electrical permittivity, magnetic permeability and an index of refraction. In these new artificially fabricated materials - termed as negative index materials (NIM) or double negative (ONG) media or left handed (LH) materials or backward wave (BW) media - all these material parameters are negative. With these unusual material parameters, new kinds of miniaturized antennas and microwave components/devices can be created for the wireless communications and the defense industries. The electrical permittivity and the magnetic permeability are the main determinants of a material's response to electromagnetic (EM) waves. In metamaterials, both these material parameters are negative. Correspondingly, the refractive index of the metamaterials is also negative. Another strange property of metamaterials is its reverse Doppler effect.     

磁光材料的典型效应及其应用

磁光材料是一类品种繁多、应用广泛的重要的功能材料.近年来,随着激光、计算机、信息、光纤通信等技术的发展,各种磁光材料--磁光玻璃、磁光薄膜、磁性液体、磁性光子晶体和磁光液晶等发展极为迅速.本文简介了磁光效应(包括法拉第效应、克尔效应、塞曼效应和磁致双折射效应等)的基本理论以及各种磁光材料和磁光器件的研究新进展.     

高性能铅酸蓄电池用电极活性物质的研究

近年来在铅酸蓄电池领域,板栅材料、电解液添加剂、新兴电池制作工艺等方面的技术发展较快,而直接针对电极活性物质的相关研究较滞后.本文从超细铅粉、其他活性物质、活性物质添加剂3个方面对高性能铅酸蓄电池用电极活性物质的研究进展进行了详细综述,并对高性能电池用电极活性物质的研究方向进行了展望.     

电池技术与材料科学

电池的活性材料的化学性质与结构,对于电池的能量和电力有极为重要的影响。说明了消费者电池的活性材料选择上的标准。所讨论的内容,涉及在新型或改良之电池活性材料开发上,两种同样有效但概念上非常不同的方式。第一种方式是采用“实验设计”来断定合成具有所需属性之材料的最佳程序;而另一种则是借助对于材料之化学与结构的彻底科学认识,来设计和修改材料,并提供了实例来说明这两种方式。     

中高压铜基电触头材料的研究现状

综述了中高压铜基电触头材料的分类、特点、应用范围和发展现状,重点分析了触头材料几种制备工艺的优缺点,展望了铜基电触头材料的发展趋势。     

Improvements in the figure of merit for tunable microwave dielectrics using combinatorial approach

Abstract

Ferroelectric/dielectric materials are useful for a variety of different applications. Addition of small amounts of different dopants often dramatically improves the materials performance. The conventional approach to exploring new materials is to make and characterize samples of discrete composition one at a time. In an effort to accelerate this process, we fabricate a combinatorial materials chips containing 256 differently doped (Ba, Sr)TiO₃ thin films. From this study, we found that tungsten doping in this class of materials greatly reduces the dielectric loss and does not significantly affect the tunability of these materials. As the result, the overall figures of merit of the materials are greatly improved.     

影响CuCr系触头材料性能的因素

从杂质，组元，制备工艺和热处理等四个方面，较为详细地综述了影响CuCr系触头材料性能的因素，提出了几点关于CuCr触头材料今后使用和制造的看法。     

放电等离子烧结技术制备磁性材料的研究进展

放电等离子烧结(SPS)是材料合成与加工领域的一种快速、低温、节能、环保的烧结技术。SPS在材料制备中有着广泛的应用，本文看重介绍了SPS在烧结磁性材料中的应用。