聚合物纳米复合电介质的击穿性能

聚合物纳米复合电介质作为第三代绝缘材料表现出优异的电气特性,其中击穿是纳米复合电介质的关键性能之一。很多研究表明纳米复合电介质的击穿性能明显优于纯聚合物和微米复合电介质材料。针对第一代纳米复合电介质的国内外研究现状,综述了其击穿性能(包括体击穿和沿面闪络特性),讨论了纳米复合电介质击穿特性改善的机理。基于国内外研究现状和本课题组的研究积累,提出了自由体积对聚合物纳米复合电介质击穿的重要影响,指出了纳米粒子对聚合物基体自由体积参数的影响规律;研究了电荷输运微观过程对纳米复合电介质击穿的影响机制,阐述了陷阱参数与体击穿和沿面闪络性能的关系;总结了纳米改性与复合材料体和表面电荷输运参数调控的关联,指出了纳米掺杂同时改善聚合物介质体击穿和沿面闪络特性的机理。     

提升纳米复合电介质击穿强度的理论与方法

聚合物复合电介质材料在电工领域有着广泛的应用。在电力设备运行过程中,电介质材料在温度、电(磁)场、机械力以及环境的作用下会发生击穿现象,造成电力设备失效以及由此引起的损失。因此,提升复合电介质的击穿强度一直是电工领域的重要问题。纳米复合电介质代表未来电力设备绝缘的发展方向。该文首先简述聚合物电介质的基本击穿理论,并总结提升纳米复合电介质击穿强度的基本策略及原理。接着,聚焦纳米粒子对电荷产生、输运以及电场分布的作用,总结几种提高纳米复合电介质击穿强度的方法,包括纳米粒子的表面工程、调控纳米粒子的维度和排列、制备多层结构的复合电介质、制备核壳结构纳米粒子复合介质,以及利用金属纳米颗粒的纳米效应。最后,对提升纳米复合电介质击穿强度未来的研究方向进行展望。     

纳米复合电介质击穿与耐电晕性的纳米掺杂效应

纳米掺杂对聚合物绝缘介质的电气性能影响较大。以杜邦公司的纯聚酰亚胺100HN和纳米型聚酰亚胺100CR为研究对象,开展电导、表面电位衰减、直流击穿与耐电晕实验。实验结果表明,相较于100HN,100CR的直流击穿场强下降6.4%,而其耐电晕时间提升400%,表明纳米粒子在两种特性中发挥不同的作用机制。表面电位衰减特性提取的陷阱参数表明100CR的深陷阱能级和密度均减小;高场电导结果表明100CR的电导率和载流子迁移率均增加。扫描电子显微镜观察电晕后的试样表面形貌发现100HN的表面形貌为"沟槽型通道",而100CR的表面形貌是"不同侵蚀度的分层环形",且侵蚀面积增大。研究结果表明:纳米粒子通过改变陷阱特性影响电导特性,最终影响直流击穿的发展过程;对于耐电晕特性,提出了基于表面碰撞散射与电荷消散协同作用的纳米复合电介质的耐电晕模型,解释了分层环形形貌特征与耐电晕性能增加的原因。     

纳米添加剂对聚合物击穿性能的影响

击穿性能是电介质材料最基本的要求,提高材料的电气强度是电介质研究最为重要的任务之一.理想电介质的本征击穿强度远高于实际材料的水平,工程击穿问题的研究实际上是集中在对缺陷体系的研究.就物理机理而言,电子陷阱与散射模型似乎应给予更多的关注.添加剂不仅可用于改善和平衡凝固态聚合物电介质的综合性能,也可以用来明显的提高材料的击穿强度.特别是纳米材料和技术研究的扩大与深入,一方面为击穿研究的发展奠定了一个新的物质基础,另一方面也促进了击穿机理研究的深化.氧化物纳米添加剂/聚酰亚胺基耐电晕漆包线漆、浸渍漆明显地提高了原漆的电压耐受寿命;纳米添加剂也提高了电缆绝缘的工作场强或可靠性.纳米金属粒子也可能明显提高聚合物的电导和击穿性能,本文用散射-陷阱模型对此作了讨论.绝缘结构的时间与空间节律不仅在宏观上具有主宰能力,在微观上也显示出了某种端倪.     

环氧树脂纳米复合电介质制备方法及其绝缘性能的研究进展

环氧树脂或树脂浸渍纤维板是电力设备中重要的绝缘材料,过去通过掺杂微米级的无机氧化物填料以提高材料的机械性能。近年,开始使用纳米颗粒掺杂环氧树脂,对于提高材料的绝缘性能,特别是对提高击穿场强、耐电晕性、耐电痕化、导热性、耐低温性、耐辐射性和耐候性等方面具有重要意义。文中以纳米复合电介质的绝缘性能为出发点,概述了纳米复合电介质的常用制备方法,给出了环氧树脂纳米复合电介质的制备流程,总结分析了环氧树脂纳米复合电介质的介电性、局部放电腐蚀、绝缘击穿强度及机械性能。综述了环氧树脂纳米复合电介质在电机绝缘系统中的应用和最新研究进展,为环氧树脂纳米复合电介质在电机主绝缘中的应用提供了思路。     

添加二氧化硅纳米颗粒对环氧树脂介电和空间电荷特性的影响

为研究纳米颗粒对环氧树脂(epoxy resin,ER)介电和空间电荷特性的影响,以环氧树脂为基体材料,纳米二氧化硅(silicon dioxide,SiO_2)为填料,制备了SiO_2纳米颗粒质量分数在0～5%范围内的ER/SiO_2纳米复合电介质。测试和研究了复合电介质在不同频率下的介电特性和直流场强为33 k V/mm下的空间电荷行为。当SiO_2纳米颗粒的质量分数为0.5%和1%时,复合电介质可以获得较低的介电常数和介质损耗,同时有效抑制了同极性空间电荷在电极界面处的积累及注入;当SiO_2纳米颗粒的质量分数为2.5%和5%时,复合电介质在低频区域介电常数和介质损耗均比纯环氧树脂高,但在高频区域变化不明显,同时在电极界面处的空间电荷积累显著增加、注入明显。研究结果表明:纳米颗粒含量较低时ER/SiO_2复合电介质介电和空间电荷性能得到提高,是由于受到环氧树脂基体和纳米粒子之间的界面区影响,界面区是改善环氧树脂纳米复合材料电性能的关键因素。     

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。     

纳米填料对聚合物介电性能的影响

聚合物基纳米复合材料作为电介质和电气绝缘材料在电力电子技术领域有着广泛的应用前景。在综合国内外近年来公开发表的相关文献基础上,对无机纳米粒子的填充对聚合物材料在击穿强度、体积电阻率、介电性能以及耐电晕等方面的研究进展进行了评述,并指出今后研究的方向。     

聚合物/无机纳米复合电介质介电性能及其机理最新研究进展

聚合物/无机纳米复合电介质由于其优异的电、热、机械等性能而成为电介质领域研究的热点.本文综述了该领域的最新研究进展,涉及纳米电介质的结构特性和介电性能及其机理,重点阐述了纳米电介质的界面特性和电阻率、介电常数、介质损耗、击穿场强、耐电晕老化、电树枝老化、陷阱、空间电荷等介电特性及其对应的微观和介观机理,并展望了纳米电介...     

介质击穿与界面区陷阱特性的关联

为了研究介质击穿与陷阱特性的关联,分别制备掺杂1%质量分数的聚丙烯/氮化铝和聚丙烯/氧化铝纳米复合电介质,测试了试样的热刺激电流、介电频谱、电阻率和直流击穿特性。实验结果表明：纳米复合电介质的深陷阱密度、体积电阻率和直流击穿强度均高于纯聚丙烯试样。分析发现纳米复合电介质的电阻率和击穿场强与深陷阱密度呈正相关性,深陷阱密度增加,其电阻率和击穿场强增加。基于电荷输运模型和交互区势垒模型,解释了直流击穿机理：介质体内深陷阱密度的增多来源于纳米掺杂形成的界面区;深陷阱密度的增加增强了捕获效应,限制了载流子迁移,导致载流子平均自由程、载流子迁移率和能量减小,使得电导率降低;高场强时,捕获效应增强抑制了介质体内载流子倍增过程,导致碰撞电离不易发生,直流击穿场强增加。     

纳米ZnO对聚乙烯电老化过程中空间电荷及击穿特性的影响

聚乙烯是电气绝缘领域应用最广泛的聚合物材料之一。根据电老化过程中电子和空穴复合产生的紫外辐射能导致聚合物降解理论,将少量纳米ZnO与低密度聚乙烯熔融共混,研究了电晕老化不同时间后复合材料空间电荷以及击穿特性的变化。结果表明添加纳米ZnO能有效提高聚乙烯绝缘的耐电晕老化寿命。     

直流-温度复合场下环氧树脂内电树枝生长特性研究现状

本文介绍了直流复合场对电树枝生长特性的影响规律,综述了温度和电场耦合条件下电荷输运对电树枝劣化的影响机理及环氧树脂纳米复合电介质电气性能的研究进展.     

高导热环氧树脂复合电介质研究现状

环氧树脂凭借其优异的电气、加工及粘结性能而广泛应用于电子与电气领域,但其导热性能极差。随着电子电路和电力设备向集成化与小型化发展,散热问题越来越成为制约设备使用寿命和安全稳定运行的关键因素之一。因此高导热环氧树脂材料的研究成为了一个挑战。本文在介绍环氧树脂复合电介质导热微观机理的基础上,对影响材料导热性能的各方面因素进行了总结。同时,对高导热环氧树脂复合电介质的电气性能研究现状进行了综述,对高导热材料的耐电痕特性进行了详细阐述。最后,展望了兼具高导热、优异绝缘性能的环氧树脂复合电介质未来的发展方向。     

聚合物基复合电介质材料的研究进展

聚合物基复合电介质材料结合了无机材料的刚性和硬度以及聚合物材料的柔性,是一种介电常数高、介质损耗低、电气强度高、易加工的新型功能材料。本文综述了国内外聚合物基复合电介质材料的研究现状,探讨了填料类型及聚合物与无机颗粒界面间的相互作用对聚合物基复合电介质材料介电性能的影响,并阐述了在其研究过程中存在的问题,最后展望了聚合物基复合电介质材料的应用前景。     

聚合物纳米复合电介质界面微区原位测试研究进展

聚合物纳米复合电介质具有优异的电学、热学以及力学性能,在电力和能源等领域被广泛应用。研究者们将聚合物纳米复合电介质的特殊性能归因于基体与纳米颗粒之间形成的界面。但是传统的研究手段不能给出界面作用机理的直接证据,因此近年来以原子力显微镜为基础的界面微区原位测试成为重要的研究方法。该文首先对原子力显微镜的基本原理做简要介绍,然后对基于原子力显微镜的微区测试进行综述,包括线性电介质复合材料介电特性、铁电聚合物复合材料极化特性、电荷分布与输运、微区红外光谱等方面,最后对目前聚合物纳米复合电介质材料界面微区原位测试中存在的问题进行讨论,并展望界面微区研究未来的发展方向。     

铁电聚合物基纳米复合电介质储能材料研究进展

高储能密度聚合物基复合电介质材料在电容器领域具有很高的应用价值,目前很多研究集中在本身具有较高的介电常数的铁电材料上。通过探讨铁电聚合物基纳米复合电介质材料储能理论、电极化特性、充放电效率等与储能密度密切相关的性能,深入分析了复合电介质材料的储能机理并提出了下一步的发展方向。并进一步讨论了目前铁电聚合物基复合电介质材料的主要制备策略,包括纳米填料表面修饰改性、多相共混复合和多层结构调控以及由此实现的介电性能和储能密度的提升。     

基于击穿增强的全有机复合薄膜储能提升策略研究进展

聚合物薄膜电容器是支撑新能源智能配网发展的重要电力设备之一，提升聚合物电介质薄膜的储能密度是改善薄膜电容器储能器件性能的关键。由经典电磁理论可知，提高聚合物电介质薄膜的储能密度可以从介电常数和击穿强度两个角度实现。然而，目前储能薄膜领域中的综述大多是围绕提高介电常数来增加储能密度的角度进行归纳、分析，而从击穿强度的角度来系统综述的相对较少。因此，文章尝试以全有机聚合物电介质为研究对象，立足于提升击穿强度的角度，重点讨论掺杂、共混、共聚和多层结构的策略。在此基础上，文章还进一步整理和比较各策略的效果，希望为后续在全有机聚合物复合薄膜的结构设计与击穿性能提升方面上提供一些思路。     

基于多层结构设计的聚合物复合薄膜储能性能研究进展

聚合物薄膜电容器具有功率密度高、释放瞬时电流大、成本低以及易加工等优点，在电气装备与电子器件中有着广泛应用。近些年，聚合物电容薄膜研究材料体系不断丰富，纳米/微纳米功能填料复合、聚合物分子链结构控制、介观/宏观多层界面设计等方法均显著提升了聚合物薄膜的放电能量密度和充放电效率。其中，基于多层结构设计的聚合物复合薄膜储能性能研究得到了极大关注。论文综述了具有多层结构聚合物储能介质研究领域的最新进展，系统地介绍了多层结构设计对复合薄膜极化、击穿和高温电导等特性的影响机制，并从纳米复合多层结构、全有机多层结构和耐高温多层结构3个方面总结提高储能性能的方法。最后，对基于多层结构设计的复合薄膜未来发展做出简要展望。     

纳米改性变压器油制备与绝缘特性研究现状

目前纳米变压器油由于其高散热性和高绝缘性能受到越来越广泛的关注。以近年来纳米变压器油和纳米油纸复合系统的研究现状为基础,分析了纳米变压器油的制备及其导热性能和电气性能(如击穿、局部放电、老化、抗水分特性等),同时分析了纳米油纸系统的制备及其电气性能(如击穿、局部放电等),并分别介绍了目前常用的3种用于解释绝缘油介质和油纸复合系统介质中纳米颗粒改性机理的模型,最后提出了纳米变压器油领域后续研究需要关注的问题,即纳米粒子材料的选择,低成本、高性能纳米粒子的制备,纳米粒子对纳米油电导率和介质损耗的影响,纳米粒子对油纸复合系统的影响。     

纳米蒙脱土对聚乙烯击穿和电导特性的影响

为了探讨纳米蒙脱土对聚乙烯击穿性能和电导特性的影响,采用威布尔(Weibull)统计的方法分析了电介质的击穿场强,利用电导温度谱图分析了不同试样电导的温度特性,用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对复合材料的微结构进行了表征。研究了插层温度和电老化对聚乙烯复合材料击穿性能的影响及其电导的温度特性,以及电介质电击穿后结构的变化。结果表明,用蒙脱土对聚乙烯进行改性能明显提高其击穿性能和改善电导特性:与纯聚乙烯相比,聚乙烯/蒙脱土复合材料试样具有明显的极性电介质的损耗特征,而且复合材料试样的绝缘电阻率在50~60°C的温度范围内明显高于低密度聚乙烯(LDPE)的值;而耐电老化性能也有所提高:在电老化66 h后,其击穿场强是纯聚乙烯的1.10倍;并且蒙脱土与聚乙烯形成的强的相互作用区像"交联点"等,能明显减少复合材料的电场破坏。可见,纳米蒙脱土的加入有望提高聚乙烯的长期介电强度和耐温等级。