不同密度聚乙烯直流介电性能研究

为研究聚乙烯密度对其直流介电性能的影响,测试了LDPE、MDPE和HDPE的击穿强度、电导特性和空间电荷特性,探讨了结晶形貌及结晶度对材料介电性能的影响。结果表明:聚乙烯的结晶度和片晶敛集度对其电性能有显著影响。随着密度增加,聚乙烯的结晶形态发生变化,片晶厚度增加,敛集度上升,使载流子迁移率降低,从而改善了其直流介电性能,空间电荷注入量减少,击穿强度升高。     

温度场下非等温结晶对低密度聚乙烯空间电荷特性的影响

为研究温度场下非等温结晶对低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)空间电荷特性的影响,制备了3种不同退火速率的非等温结晶试样即LDPE-I(冰水)、LDPE-A(空气)和LDPE-S(缓慢),并使用温控脉冲电声(PEA)法开展了20℃、40℃和60℃温度场下空间电荷特性的研究。结果表明:非等温结晶过程中,更小的退火速率有利于LDPE充分结晶,因此结晶度更高、晶胞平均尺寸更大且尺寸均匀性更好;20℃温度和-100 MV/m直流电场强度条件下3组试样均出现正空间电荷包,LDPE-I电荷包注入速率和迁移速率均为最大;40℃和60℃温度下,仅在LDPE-I中存在正空间电荷包。针对上述现象,结合20℃温度下去极化过程载流子视在迁移率和陷阱深度情况进行解释:由于LDPE-I试样晶胞尺寸小且均匀性差,晶区/无定形区界面面积增加,所以深浅陷阱密度均增大;推测其界面缺陷类型复杂,导致陷阱深度分布广,从而对正空间电荷包的注入和迁移过程影响更大。     

晶型对等规聚丙烯电导电流和空间电荷特性的影响

聚丙烯材料性能改善过程中,材料内部会出现以α晶或β晶为主的2种晶型。为研究晶型对等规聚丙烯(iPP)电导电流和空间电荷特性的影响,选用α和β成核剂制备了具有不同晶型的iPP–pure(对照组)、iPP–α和iPP–β试样,开展了25℃下电导电流、空间电荷和直流击穿特性的研究。结果表明:iPP–β正负直流击穿强度最高,而iPP–α最低;3组iPP试样的电导电流大小为iPP–αiPP–pureiPP–β,空间电荷限制电流的转折电压大小为iPP–αiPP–βiPP–pure;-20 MV/m电场强度极化30 min后,3组iPP试样在极化过程中均出现正负空间电荷积聚;去极化过程中iPP–pure中空间电荷积聚量最大,而iPP–α中最少。分析认为:α晶和β晶的晶胞形态使得iPP–α中存在大量浅陷阱、iPP–β中平均陷阱深度较深;载流子在iPP–α中容易迁移并产生俄歇效应,而在iPP–β中容易在试样表面附近被捕获。     

机械拉伸对聚丙烯绝缘空间电荷与击穿特性的影响研究

为研究机械拉伸对聚丙烯热塑性电缆绝缘空间电荷与击穿特性的影响,采用等温结晶方法制备具有不同结晶形貌的聚丙烯(polypropylene,PP)绝缘样品,研究不同拉伸率的PP绝缘样品直流电导、空间电荷与击穿特性,并对拉伸前后材料微观结晶形貌进行表征,分析机械拉伸下结晶形貌变化对电气性能的影响机理。结果表明：机械拉伸形变将导致PP绝缘电导率提高、空间电荷积聚量增多,以及直流击穿场强显著降低。相比于等规聚丙烯绝缘,等规聚丙烯/间规聚丙烯共混绝缘具有较高的断裂伸长率,在相同拉伸率情况下空间电荷密度较低,击穿场强提高。通过控制等温结晶时间可调控结晶度和结晶形貌,改善绝缘抗冲击性能,抑制拉伸条件下空间电荷注入,提升绝缘击穿场强。研究表明,机械拉伸应力导致球晶出现形变甚至破坏现象,晶区–非晶区界面形成缺陷,是导致绝缘空间电荷注入加剧、击穿性能显著下降的根本原因。     

聚丙烯绝缘材料电导特性与空间电荷研究

为考察聚丙烯作为直流电缆绝缘材料在电气性能上的的可行性,选用等规聚丙烯材料制备测试试样,通过差示扫描量热法测试熔融温度(165℃)和结晶温度(111℃),针对击穿特性、强场电导和空间电荷分布与电荷的消散等电气性能对聚丙烯材料进行测试。击穿强度测试发现:其交流击穿强度明显低于直流击穿强度,交流击穿强度数据的的分散性相对于直流击穿要好。强场电导特性测试发现:在3.3 kV/mm电场下当温度升高到90℃时,材料的强场电导明显升高,达到室温时的2倍。空间电荷实验结果表明聚丙烯在较低的电场强度(10、20 kV/mm)下未出现明显的空间电荷,而在电场强度达到50 kV/mm时,出现了明显的异极性空间电荷。将试样上下电极短接进行短路发现,10、20 kV/mm下加压0.5 h后,经过0.5 h短路放电,试样内部的空间电荷几乎释放完全。而在50 kV/mm下加压0.5 h后,经过1.5 h的短路时间仍然看到试样内部驻留着大量的异极性空间电荷。     

低密度聚乙烯纳米复合材料中空间电荷积聚对试样厚度的依赖性

低密度聚乙烯(LDPE)纳米复合材料的厚度从μm级到cm级不等,差异极大。为此,研究了LDPE纳米复合材料中空间电荷的积聚对其厚度的依赖性。基于已有的LDPE纳米复合材料,采用电声脉冲(PEA)法测量了不同厚度的无掺杂LDPE及掺杂有纳米填料的LDPE纳米复合材料在50kV/mm电场强度下的电荷积聚特性。发现无掺杂LDPE中电荷积聚不随试样厚度发生明显变化;而LDPE纳米复合材料中电荷积聚对试样厚度有明显的依赖性:试样厚度越厚,异极性电荷的抑制效果越好。根据以上实验现象,以双极子模型为基础、结合陷阱势能理论进行仿真,探讨了无掺杂LDPE中异极性电荷的形成机理,指出纳米填料不仅作为陷阱中心而且作为复合中心直接影响着试样中空间电荷的积聚特性,2种材料不同的厚度依赖性是由于复合作用的强度不同而造成的。     

电声脉冲法测量聚合物绝缘表面陷阱能级分布

对紫外光老化不同时间的低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)试样及3%含量的纳米氧化锌(ZnO)粒子与LDPE复合材料试样进行了交流击穿实验,结果表明纯LDPE试样的击穿强度随光老化时间的增加逐渐降低,3%含量的纳米ZnO粒子与LDPE复合材料的击穿强度光老化后基本保持不变。通过对老化前后试样的老化面分别进行电晕放电注入负电荷,并采用电声脉冲法测量短路状态下表面注入电荷随时间的衰减特性,通过公式推导计算得出试样老化面的陷阱能级分布。结果表明,纳米ZnO粒子不仅能提高聚乙烯的光稳定性,还通过成核和界面作用减少聚乙烯体内深陷阱密度,增加浅陷阱密度。     

聚乙烯表面形貌对其空间电荷特性的影响

随着空间电荷测量技术在最近三十年的巨大进步,固体电介质空间电荷研究成为研究热点.聚乙烯的热压冷却条件会显著影响聚乙烯的形态结构.而聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料而形成不同的附生结晶层,从而具有不同的表面形貌.此附生层的形态对空间电荷特性有很大的影响.通过研究聚乙烯不同表面形貌的形成过程及其显微特征,并结合微观形态对不同表面形貌的聚乙烯进行了空间电荷测量分析,发现不同表面形貌的聚乙烯试样具有不同的空间电荷积聚特性.     

不同分子量分布的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物对LDPE共混体系电性能的影响

选取两种不同分子量及分子量分布的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA),与低密度聚乙烯(LDPE)通过熔融共混法制备了LDPE/EVA共混物。通过结晶行为和陷阱特性研究了LDPE/EVA共混体系的空间电荷行为和直流击穿强度。结果表明:与纯LDPE相比,LDPE/EVA 28-25共混物有效地抑制了空间电荷的积累,并且直流击穿强度提高至314 kV/mm。     

氧气浓度对低密度聚乙烯直流老化电特性的影响

为研究氧气浓度对绝缘材料直流老化过程的影响,将低密度聚乙烯(LDPE)置于纯氮气、空气、纯氧气3种不同的氧气浓度气氛下进行直流老化,并利用电声脉冲法测量LDPE老化试样的空间电荷特性。结果表明:100 h直流老化条件下更高的氧气浓度可以降低陷阱平均深度,提高空间电荷迁移率。测量老化100 h后试样的电特性,发现高氧气浓度能够增大试样的体积电阻率和正极性直流击穿电压,且随着氧气浓度的增大,击穿电压呈U形击穿特性。     

SEBS/PP复合材料抗水树枝性能研究

该文采用水刀电极法对苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)/聚丙烯(PP)复合材料和低密度聚乙烯(LDPE)进行加速水树枝老化实验,并通过结晶特性和力学特性实验对两者在抗水树特性上的差异进行分析。通过偏光显微镜(PLM)、差示扫描量热仪(DSC)和扫描电子显微镜(SEM)分别对材料的水树枝形貌和球晶结构、熔融-结晶特性以及片晶结构进行观察与分析,并选用动态热机械分析仪(DMA)和电子拉力机分别研究材料的动态松弛特性和应力-应变特性。水刀电极法结果显示,高结晶度的PP与非结晶的弹性体SEBS没有发生水树枝老化,而SEBS/PP复合材料虽然出现水树枝结构,但其尺寸仍明显低于LDPE。结晶特性与力学特性实验结果显示,与LDPE相比,PP具有较高的结晶度与结晶尺寸,并且具有较高的机械强度和较低的动态松弛损耗因数;SEBS在复合体系中以"岛"相存在,PP片晶变细变短,并且其球晶边界也变得模糊,体现出更强的非晶特性,导致PP片晶之间在外力作用下的抗滑移能力降低。分析认为,SEBS/PP较高的结晶度和由力学性能体现出的片晶之间较强的抗滑移能力是其抑制水树枝生长能力优于LDPE的主要原因。     

基于国产基料的交联聚乙烯高压直流电缆绝缘材料电性能研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)高压直流电缆是直流电网的核心设备,将XLPE高压直流电缆绝缘料国产化具有重要意义。基于欧洲主流超净低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)与国内知名企业生产的2种超净聚乙烯,分别制备XLPE试样,并完成脱气处理。测量与评估3种XLPE试样的直流击穿电场强度、直流电导率、空间电荷特性等电气性能指标,综合评估交联材料电气性能。其中,一种国产交联聚乙烯材料的击穿场强与电导率性能指标接近于参考绝缘材料性能指标,其空间电荷性能指标优于参考绝缘材料性能指标,确定了XLPE高压直流电缆绝缘料国产化的可行性。     

PS/LDPE纳米复合材料介电性能研究

将一种高聚物纳米颗粒-聚苯乙烯(PS)纳米球加入到低密度聚乙烯(LDPE)中,通过熔融共混法制备了PS质量分数为2%的PS/LDPE纳米复合电介质,利用电声脉冲(PEA)法对40 k V/mm电场强度作用下试样内的空间电荷分布进行测试分析,并进行热刺激电流及电导测试。结果表明:PS/LDPE纳米复合材料内部的空间电荷量明显低于纯LDPE;PS/LDPE纳米复合材料在常温下的直流电导率也较纯LDPE小;热刺激电流(TSC)图谱显示PS纳米球的添加改变了材料的陷阱深度和密度,这有可能是抑制LDPE空间电荷累积和直流电导特性发生改变的原因。     

纳米颗粒填充浓度和表面处理对纳米MgO/PP空间电荷行为的影响

为研究纳米颗粒表面处理和填充浓度对聚丙烯(polypropylene,PP)介质内部空间电荷特性的影响,以PP为基料,分别以经过表面处理和未经表面处理的纳米氧化镁(Mg O)为填充颗粒,制备了2组不同质量分数的纳米Mg O/PP复合介质,并对纳米复合介质微观特性结构和空间电荷进行了实验研究。微观特性研究表明:无机纳米颗粒在聚合物中分散均匀,经过表面处理的复合介质团聚更少,Mg O的添加使介质结晶峰值温度和结晶度增加。空间电荷实验表明:在去极化过程中,添加经过表面处理和未经过表面处理的Mg O后,复合介质阴极的同极性电荷量减少,阳极异极性电荷基本消失,整体电荷密度下降;当Mg O质量分数为0.5%时,50 kV/mm电场强度下未经表面处理的体电荷密度为纯PP的37.2%,经过表面处理的体电荷密度为纯PP的52.8%,抑制效果均为实验试样中最佳;高电场下,未经过表面处理的复合介质对于空间电荷抑制作用相比经过表面处理的复合介质更明显,经过表面处理的复合介质对于极化过程中空间电荷造成的电场畸变有更好的抑制效果。     

聚乙烯微观形态及表面形貌对其空间电荷包特性的影响

聚乙烯的热压冷却条件会显著影响聚乙烯的微观形态,而聚乙烯在热压过程中,其表面会由于不同的基底材料而可能形成附生结晶层,从而具有不同的表面形貌,为探讨它们对空间电荷特性的影响,使用不同的基底材料制备了不同表面形貌的聚乙烯试样,研究了聚乙烯不同表面形貌的形成过程及其显微特征。利用不同的降温速率得到了两种表面形貌下不同微观形态的试样,结合微观形态对不同表面形貌的聚乙烯进行了空间电荷测量分析,在高场强下进行了其空间电荷包特性的研究,发现微观形态和表面形貌对聚乙烯的空间电荷包的极性、运动特性等都具有重要的影响。     

交联聚乙烯直流电缆料高温空间电荷行为特性

为研究进口交联聚乙烯(XLPE)直流电缆料高温空间电荷行为,开展了XLPE试样脱气前后的直流电导、介电和高温下空间电荷稳态暂态过程试验。结果表明:未脱气XLPE的电导电流和介质损耗均大于脱气XLPE;在-30 MV/m下脱气前后XLPE内部均为负极性电荷积聚,且在30℃和70℃下电场畸变率不超过25%;70℃、-100 MV/m下极化初始2 s的快速测量发现,脱气XLPE出现正空间电荷包的快速迁移,而-150 MV/m下则出现了负空间电荷包的注入与迁移,正、负空间电荷包的运动过程均遵循负微分迁移率。分析认为:脱气处理降低了XLPE交联副产物的含量,减少了离子电离,从而减小了低频区的电导率;在-30 k V/mm时,试样内部积聚的少量负电荷主要由交联副产物及杂质电离所产生,随着场强的提高,开始出现由电极注入的正电荷且杂质离子产生的速率要高于正电荷的注入速率;70℃、-150 MV/m下极化初始阶段,正电荷快速迁移至阴极附近,致使阴极附近电场严重畸变(畸变率最大达61.5%),导致阴极大量注入负电荷并在试样内部形成负空间电荷包。     

制备工艺对SiO_2/LDPE纳米复合材料空间电荷特性和直流击穿强度的影响

采用平行双螺杆挤出机和转矩流变仪制备了Si O2/LDPE纳米复合材料,研究了两种工艺对纳米粒子分散情况和介电性能的影响。利用电声脉冲法(PEA)比较LDPE和Si O2/LDPE纳米复合材料的空间电荷抑制能力,并测量了其室温下的直流击穿特性。结果表明:Si O2/LDPE比LDPE具有更高的空间电荷抑制能力,且两种工艺制备的Si O2/LDPE直流击穿强度分别提高了21.8%和3%。扫描电镜(SEM)分析表明,平行双螺杆制备的Si O2/LDPE纳米复合材料中的纳米粒子分散性更好,其空间电荷的抑制能力更高,直流击穿强度比转矩流变仪制备的材料高18.22%。平行双螺杆比转矩流变仪具有较高的剪切力,可提高纳米粒子在聚合物中分散性,进一步提高了Si O2/LDPE纳米复合材料的介电性能。     

电压稳定剂修饰纳米SiO_2提升低密度聚乙烯直流电气特性的研究

该文制备了苯偶酰型电压稳定剂和硅烷偶联剂改性的SiO_2纳米粒子,与未改性的纳米粒子分别添加到低密度聚乙烯(lowdensitypolyethylene,LDPE)中,得到3种纳米复合材料。研究发现,电压稳定剂改性的SiO_2纳米粒子在LDPE中的分散性最好,可提高纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率。3种纳米粒子的加入均改变了LDPE样品电极附近空间电荷的极性,与纳米粒子的表面化学状态无关。表面化学状态不同的纳米粒子均可抑制LDPE中空间电荷的注入和积聚,但电压稳定剂改性的纳米SiO_2在增强LDPE击穿方面效果最好,添加质量分数为1%时直流击穿场强可提高38.7%。表面电势衰减测试显示,电压稳定剂改性的纳米SiO_2的加入大幅提高了纳米复合材料中的陷阱深度和密度。击穿场强增加是纳米粒子均匀分散、表面存在电压稳定剂,以及引起陷阱密度与深度增加等因素共同作用的结果。     

基于Kerr电光效应测量的液体空间电荷产生及其分布特性

空间电荷是影响绝缘介质耐电强度,导致电场分布畸变和电介质击穿的重要参数之一。为了更深入地开展液体中空间电荷产生及其分布特性的试验及相关机理研究,采用基于Kerr效应的空间电荷高速CCD(charge-coupled device)测量系统,实现了碳酸丙烯酯中黄铜、不锈钢、铝3种电极材料在冲击电压下光强分布特性的测量;结合改进的图像处理技术,对极间电场随时间变化的动态发展过程进行反算;同时依据传统电击穿理论和双电层理论对空间电荷产生及发展的微观机理进行分析。研究表明:在不同材料以及不同电压极性下,空间电荷分布呈现出双极注入、正电荷注入及负电荷注入3种显著的注入特征,其中双极注入提高了液体电介质的冲击绝缘性能,正电荷注入和负电荷注入使得液体电介质绝缘性能降低,其注入特性的差异与外加电压大小、电极材料、电极表面状态等因素有关。     

低密度聚乙烯空间电荷与电导电流的联合测量

聚乙烯非常容易积累空间电荷,造成聚乙烯绝缘电缆用于高压直流输电时容易出现绝缘劣化和使用寿命减少的问题。为了研究绝缘材料在直流电场下的空间电荷特性与电导特性,考虑到由于外电流存在位移电流分量,对于同一块试样分别测量得到的结果并不能进行严格的联合分析,基于脉冲电声法（pulse electro acoustic, PEA）原理设计了一套能够对平板试样进行“同区分时”测量空间电荷和外电流的实验装置,联合测量了低密度聚乙烯（low density polyethylene, LDPE）在室温下的空间电荷和高场电导。实验结果表明：随着施加场强的升高,阳极异极性空间电荷逐渐增加,阴极由同极性注入转变为异极性空间电荷积累,这与材料内部的杂质解离以及不同电极材料的选取有关。低电场条件下位移电流在外电流中所占的比例大于电导电流,传导电流密度与电场强度的关系也符合空间电荷限制电流（space charge limited current）理论。