纳米SiO2分散性对SiO2/LDPE纳米复合材料直流介电性能的影响

SiO₂/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的介电性能与纳米SiO₂在LDPE基体中的分散性密切相关。为研究室温下拉伸处理对纳米SiO₂颗粒在LDPE基体中分散性的作用机制,本文选取7 nm粒径的疏水型纳米SiO₂与LDPE熔融共混制备SiO₂/LDPE纳米复合材料。将制备好的纳米复合材料经过三次拉伸处理,利用SEM、DSC表征纳米粒子的分散性及复合材料的结晶度,利用热刺激电流法(TSC)测试分析复合材料的陷阱能级和陷阱密度。通过对纳米复合材料的空间电荷,电导电流,直流击穿强度进行实验测试,研究了拉伸对纳米粒子分散性的影响及其所导致的直流介电性能的改变。结果表明室温下拉伸有助于纳米粒子的分散,使纳米SiO₂粒子的团聚尺寸从200 nm左右缩减到100 nm左右;但拉伸会破坏LDPE的结晶结构,劣化其性能;通过掺杂纳米SiO₂引入深陷阱能级可以改善LDPE的直流介电性能。经过拉伸的SiO₂/LDPE的空间电荷积累得到...     

纳米SiO2/低密度聚乙烯复合材料的陷阱特性与电击穿机制

以低密度聚乙烯（LDPE）为聚合物基体,通过熔融共混的方式填充不同粒径的纳米SiO₂无机颗粒,制备纳米SiO₂/LDPE复合材料,研究提高聚乙烯电绝缘性能的纳米改性方法和机制。利用SEM表征纳米SiO₂在LDPE基体中的微观形态和分散程度,采用DSC和偏光显微镜（PLM）分析纳米SiO₂对LDPE基体结晶度和结晶形态的影响,通过热刺激电流法（TSC）分析纳米SiO₂/LDPE复合材料的陷阱密度和陷阱能级,并结合电击穿的Weibull分布研究纳米复合材料的击穿机制。研究结果表明:纳米SiO₂填充可以改变复合材料结晶度,进而增加LDPE基体本征结构缺陷和陷阱密度,同时填充纳米SiO₂颗粒可引入比LDPE基体本征陷阱更深的陷阱能级,纳米SiO₂填充颗粒引入的陷阱能级深度随着复合材料结晶度的增加而先增大后减小,填充浓度3wt%时可最有效地通过俘获载流子而抑制电击穿过程,纳米SiO₂/LDPE复合材料的击穿场强达到最高值。与60 nm SiO₂颗粒相比,30 nm SiO₂填充颗粒具有更高的比表面积,界面电极化导致更高的介电常数,更高密度的纳米界面深陷阱态对于提高电击穿场强更有效。当填充浓度为5wt%时,纳米颗粒的团聚作用导致纳米复合材料的击穿强度降低。基于电双层理论提出了电子捕捉模型和界面结构模型,合理阐释了纳米SiO₂/LDPE复合材料的微观陷阱特性及宏观电击穿机制。      

纳米SiO2对交联聚乙烯交/直流击穿强度和耐电树枝性能影响

为系统地研究纳米SiO₂对交联聚乙烯（XLPE）交/直流击穿强度和交/直流耐电树枝特性的影响,使用平行双螺杆分别制备了含0.5wt%和1wt%纳米SiO₂的纳米SiO₂/XLPE复合材料,以商用直流电缆料和普通XLPE作为参照,测试了掺杂纳米SiO₂对XLPE交流电树枝和直流接地电树枝的引发和生长特性及交/直流击穿强度的影响。实验结果表明,商用直流电缆料的直流击穿强度与普通XLPE相近,但其直流接地电树枝的引发更困难,树枝生长也更缓慢;随着纳米SiO₂添加量增大,纳米SiO₂/XLPE复合材料交/直流击穿强度的作用增强,对交/直流电树枝引发的抑制作用也增强,1wt%纳米SiO₂/XLPE复合材料具有显著抑制直流接地电树枝生长的效果,其直流接地电树枝引发和生长特性均优于商用电缆料;1wt%纳米SiO₂/XLPE复合材料的交流击穿强度和交流电树枝起始电压均高于普通XLPE,但其对交流电树枝的生长抑制作用仅局限在电树枝生长初期,电树枝生长达到一定阶段后,1wt%纳米SiO₂/XLPE复合材料中的电树枝生长速度超过普通XLPE。      

纳米粒子形貌对聚吡咯/LDPE纳米复合材料直流介电性能的影响

为了研究不同微观形貌的纳米导电粒子对低密度聚乙烯(LDPE)直流介电性能的影响,本文采用软模板法制备了直径约100 nm的聚吡咯(PPy)纳米球和纳米线,并将其与LDPE熔融共混制备得到了PPy/LDPE纳米复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了PPy纳米粒子的微观形貌及其在PPy/LDPE纳米复合材料中的分散结构,并测试了复合材料的结晶度、空间电荷分布、介电谱、不同温度下的直流电导电流及直流击穿强度等介电性能。结果表明：PPy纳米粒子的加入可以提高LDPE的结晶度,抑制LDPE中空间电荷的累积,降低其相对介电常数、直流电导电流和直流击穿强度,其中PPy纳米球的加入可在不同温度下使LDPE直流电导电流降低1个数量级以上,而对其直流击穿强度的影响较小,并且在较高温度下可将LDPE的直流击穿强度提升4.4%。PPy纳米球对LDPE绝缘材料直流介电性能的改善效果要优于PPy纳米线。     

蒙脱土-SiO2/低密度聚乙烯复合材料结晶行为及电树枝化特性

为了进一步改善低密度聚乙烯（LDPE）的耐电树枝化性能,以有机化蒙脱土（MMT）和表面改性的SiO₂为纳米填料,采用熔融共混法制备了MMT-SiO₂/LDPE多元复合材料。利用FTIR表征了纳米填料与LDPE基体间分子链相互作用。研究了纳米MMT和SiO₂对LDPE结晶行为、结晶形态及耐电树枝化性能的影响。结果表明：纳米MMT和SiO₂均通过改性剂长链与LDPE基体分子链以物理纠缠的形式混合在LDPE中。纳米SiO₂异相成核形成小的晶体结构,与分散在无定形区的纳米MMT均对电树枝的发展具有阻挡作用,二者相互协同使MMT-SiO₂/LDPE多元复合物材料中电树枝的发展路径更加曲折,因此MMT-SiO₂/LDPE多元复合物材料耐电树枝性能优于MMT/LDPE和SiO₂/LDPE复合材料。     

多层介孔纳米MgO/低密度聚乙烯复合材料的制备及其绝缘性能

塑料高压直流电缆在电力输运中,绝缘层容易发生电子及空穴注入并局部积聚,形成空间电荷包,长期运行容易引发绝缘失效。为此,抑制电子及空穴的注入、积聚,防止空间电荷包的产生是制备塑料高压直流电缆的关键技术。通过制备多层介孔结构纳米MgO,采用低沸点溶剂法,实现了纳米MgO在低密度聚乙烯(LDPE)中的均匀分散。研究了1wt%纳米MgO/LDPE复合材料的空间电荷行为、直流击穿强度、热刺激电流及介电特性。结果表明:添加1wt%纳米MgO的LDPE在70 kV/mm电场下有效地抑制了空间电荷积聚,提高了直流击穿强度,降低了介电常数;热刺激电流研究表明纳米MgO形成了新的陷阱,有效捕获了载流子,形成独立电场,避免了局部有效电场,形成新的势垒,抑制了电极载流子的注入,最终抑制了空间电荷积聚。      

纳米MgO/LDPE及SiO2/LDPE复合介质潮气吸附机制及其对直流电导特性的影响

为了研究纳米复合介质的吸潮特性及其对介电性能的影响,应用Materials Studio仿真分析MgO及SiO₂纳米粉末对水分子的吸附能,探讨了相关的吸潮机制及纳米MgO和纳米SiO₂粉末的吸潮特性,对吸潮前后MgO/低密度聚乙烯（LDPE）和SiO₂/LDPE复合介质介电性能的变化进行了试验研究。研究结果表明,水分子在氧化物表面的吸附点位主要是O原子,由于纳米SiO₂属无定形,水分子可渗入SiO₂纳米粒子内部与更多的O原子形成吸附作用,纳米SiO₂具有更大的吸潮量。由于纳米MgO对水分子的吸附能大于纳米SiO₂对水分子的吸附能,水分子更难被移除。纳米MgO/LDPE和纳米SiO₂/LDPE复合介质较LDPE更易吸潮,其原因是纳米粒子吸附水分子能力较强所致。吸潮对MgO/LDPE和纳米SiO₂/LDPE复合介质的介电性能有较大影响,吸潮后复合介质的电流密度值明显上升,水分子的存在可能破坏了原有界面区的紧密结构和荷电特性,削弱了复合介质对载流子迁移的抑制能力。当测试温度增加至60℃以上,受潮后复合介质吸附的水分子基本被移除,纳米MgO/LDPE和SiO₂/LDPE复合介质的电流密度值恢复到同干燥试样的电流密度值基本一致。     

SiO2粒子的尺度因素对聚乙烯基复合材料的结晶行为及电学性能的影响

分别选用粒径分别为1μm、30 nm和100 nm的SiO₂粒子作添加粒子,以低密度聚乙烯（LDPE）为基体,制备三种SiO₂/LDPE复合材料。对各复合材料的结晶行为进行分析,分析各材料的结晶度,同时对每种材料在频率影响下的相对介电常数εr和损耗因子tanδ变化情况进行研究,并探究了各材料的电导电流及空间电荷特性。结果表明,添加粒子的尺寸越小,其所形成的复合材料的晶体尺寸与间距就越小。添加30 nm SiO₂粒子后,材料结晶度增加显著;添加100 nm SiO₂粒子所构成的微观结构能有效限制分子链运动,使复合材料极化建立困难;大尺寸粒子的添加会对原有结晶结构造成破坏,形成的新结晶结构能促进载流子的迁移;这三种SiO₂粒子中,30 nm SiO₂粒子的添加能有效抑制空间电荷,100 nm SiO₂粒子的加入,则会造成电极附近的异极性电荷积聚。     

微纳米SiO_2/低密度聚乙烯复合材料的空间电荷性能

高压直流绝缘材料中空间电荷积聚限制了直流输电的发展。为探讨微米SiO_2、纳米SiO_2、微纳米SiO_2及制备工艺对SiO_2/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料空间电荷特性的影响。分别利用SEM、FTIR和DSC等对不同SiO_2/LDPE复合材料的微结构、结晶特性等进行了表征,利用热刺激电流(TSC)法研究其陷阱特性,通过电声脉冲(PEA)法研究其空间电荷特性。结果表明:SiO_2的引入使LDPE的晶粒尺寸减小,结晶度提高;SiO_2/LDPE复合材料的TSC曲线所包络面积增大,微米SiO_2的引入使TSC峰向低温方向偏移,而纳米SiO_2的引入使TSC峰向高温方向移动;SiO_2/LDPE复合材料表现出对空间电荷不同程度的抑制作用。微纳米SiO_2/LDPE复合材料的制备工艺对其性能有一定的影响,以母料形式制备微纳米SiO_2/LDPE复合材料时,其性能与后加入无机颗粒对应的SiO_2/LDPE复合材料更接近。     

表面功能化纳米SiO2的制备及其在溶液聚合丁苯橡胶-顺丁橡胶中的应用

采用液相原位修饰技术,制备了表面接枝有机硅烷的纳米SiO₂(HB-2200)、表面接枝氨基的纳米SiO₂(HB-2205N)、表面接枝不饱和双键的纳米SiO₂(HB-2205D)、表面接枝氨基和双键的纳米SiO₂(HB-2205ND)。利用TEM、SEM、流变仪对纳米SiO₂/溶液聚合丁苯橡胶-顺丁橡胶(SSBR-BR)复合材料的结构和性能进行表征。结果表明:与未改性的纳米SiO₂相比,表面功能化纳米SiO₂与橡胶基体相容性改善,Payne效应降低,纳米SiO₂之间的相互作用减弱,其在SSBR-BR复合材料中的分散性提高。HB-2200/SSBR-BR复合材料的混炼扭矩降低了35.7%,混炼能耗降低了15%,结合胶含量增加,填料/橡胶之间的界面结合作用增强,拉伸强度提高了60%。动态热力学和磨耗性能分析表明:纳米SiO₂表面引入可反应性双键(HB-2205D),使HB-2205D/SSBR-BR复合材料的抗湿滑性能提高了40%,滚动阻力降低了43%。纳米SiO₂表面接枝可反应性双键,可在不牺牲HB-2205D/SSBR-BR复合材料耐磨性能的基础上,降低其滚动阻力,提高其抗湿滑性能,为高性能轮胎的制备提供基础原材料。      

纳米ZnO/低密度聚乙烯复合材料的介电特性

为探讨纳米ZnO/低密度聚乙烯（LDPE）复合材料的介电特性,首先,采用硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂对纳米ZnO进行改性,并利用两步法制备了不同纳米ZnO质量分数、不同纳米ZnO粒径、不同纳米ZnO表面修饰方式和不同冷却方式的纳米ZnO/LDPE复合材料;然后,通过FTIR、SEM、DSC和热激电流（TSC）测试了纳米ZnO在基体中的分散情况、复合材料的等温结晶过程参数变化及陷阱密度;最后,在不同实验温度下分别进行了交流击穿、绝缘电导率、介电常数和空间电荷实验。结果表明:纳米ZnO的加入使纳米ZnO/LDPE复合材料内部陷阱深度和密度均有所增加;当纳米ZnO的粒径为40 nm且质量分数为3%时,复合材料的结晶速度最快,纳米ZnO在基体中的分散性较好,击穿场强达到最高值133.3 kV/mm,电导率及介电常数也相对较低,加压时复合材料内部空间电荷少,短路时释放电荷速度快,介电性能较好;由于纳米粒子增加了材料内部的热传导速率,降低了复合材料随着温度升高而降解的速度,因而相对于纯LDPE,随着实验温度的提高,纳米ZnO/LDPE复合材料的击穿场强下降幅度及电导率上升幅度均较小。      

纳米TiO2/液体硅橡胶直流电缆附件绝缘复合材料的介电性能

高压直流电缆附件在电力系统运行中,由于复合绝缘电导率不匹配极易导致电场畸变引发绝缘故障。针对这一问题,采用直接共混法制备了不同掺杂浓度的纳米TiO₂/液体硅橡胶（LSR）复合材料,并对其微观形貌和介电性能进行了测试研究。结果表明:纳米TiO₂粒子在LSR基体中分散较均匀,随着TiO₂掺杂含量的增加,纳米TiO₂/LSR复合材料试样的相对介电常数和介质损耗因数增大。当纳米TiO₂粒子添加量为4wt%时,纳米TiO₂/LSR复合材料的电导率与电缆主绝缘交联聚乙烯（XLPE）的电导率近似相等,且随着电场强度的增大,两者的电导率变化趋势也基本一致。电声脉冲法（PEA）测量结果表明,添加4wt% TiO₂的纳米TiO₂/LSR复合材料内积聚的空间电荷最少。纳米TiO₂粒子的掺杂,提高了TiO₂/LSR复合材料电缆附件绝缘电导率对电场强度的响应依赖特性,使其能与XLPE绝缘电导率较好地匹配,同时一定程度地抑制了空间电荷的积累,有助于直流电缆附件内复合绝缘电场的均匀分布。      

疏水性气相SiO2改性环氧树脂的耐电晕性能

采用砂磨机将疏水性气相SiO₂纳米粒子分散到无溶剂环氧树脂（Epoxy,EP）中,经加热固化后制备了不同掺杂量的疏水性气相SiO₂/EP复合材料,通过XRD检测和SEM表征,证实疏水性气相SiO₂纳米粒子以无定形态均匀分散在EP中。疏水性气相SiO₂/EP复合材料的理化性能测试结果表明:其热稳定性、介电常数、介电损耗和电导率均随纳米SiO₂粒子掺杂量的增加而有所升高;纳米SiO₂粒子掺杂量为2wt%时,击穿场强达到最大值为24.66 kV/mm,较纯EP材料提高了21.35%;疏水性气相SiO₂/EP复合材料耐电晕寿命随纳米SiO₂粒子掺杂量增加而增加。在室温、80 kV/mm电场强度下,纳米SiO₂粒子掺杂量为8wt%时,疏水性气相SiO₂/EP耐电晕寿命可达42.7 h,是纯EP的18.9倍。      

纳米MgO/低密度聚乙烯高压直流电缆复合材料的制备与性能

通过热处理方法得到表面不含羟基(—OH)的纳米MgO颗粒, 采用母料法制备了10wt% 纳米MgO/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料, 研究了纳米MgO/LDPE复合材料在70 kV/mm直流电场下的空间电荷特性, 评估了该方法对纳米颗粒分散的效果及工业化应用推广价值。结果表明:表面羟基化对纳米MgO/LDPE复合材料变温体积电阻率及介电特性的影响不大, 空间电荷积累量增加。当纳米MgO 掺杂量为1wt%时, 复合材料的电性能最佳。      

纳米SiO2接枝硬脂酸甘油酯型流滴剂/辐照聚乙烯复合材料的制备及其性能

通过表面接枝技术将硬脂酸甘油酯型流滴剂（B）接枝到纳米SiO₂（nano SiO₂）表面,制得了nano SiO₂接枝B的接枝物（nano SiO₂-g-B）;将nano SiO₂-g-B与预辐照聚乙烯（ir-LLDPE）熔融挤出接枝,制备了nano SiO₂-g-B/ir-LLDPE复合材料。利用FTIR、SEM、DSC和加速流滴等对材料的结构和性能进行了表征。结果表明：nano SiO₂-g-B/ir-LLDPE复合材料的熔融温度和结晶温度降低,其力学性能较ir-LLDPE没有较大的变化;与普通共混的方法相比,nano SiO₂接枝流滴剂方法制备的nano SiO₂-g-B/ir-LLDPE复合材料薄膜的流滴期最高可延长6天,达到25天,是相同条件下普通商用流滴剂薄膜的1.47倍。