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。     

CB/LDPE纳米复合材料的空间电荷抑制特性

采用熔融共混法制备了纯低密度聚乙烯(LDPE)试样和纳米炭黑(CB)颗粒质量分数分别为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%的CB/LDPE复合试样。采用扫描电子显微镜观察纳米CB颗粒在LDPE基体中的分散性,并利用电声脉冲法(PEA)测试各试样在常温和-40 kV/mm条件下的空间电荷积聚特性和陷阱特性,讨论纳米CB颗粒提升LDPE基体空间电荷抑制特性的机制。结果表明:相较于纯LDPE试样,CB/LDPE复合试样的空间电荷积聚特性得到了显著改善,其中CB质量分数为0.03%的CB/LDPE复合试样具有最佳的空间电荷抑制效果。纳米CB颗粒提高了复合试样内部的深陷阱密度,这是提高复合试样空间电荷抑制能力的关键。     

纳米SiO_2/硅橡胶复合材料的陷阱特性

硅橡胶作为直流电缆附件中的主绝缘材料,存在空间电荷积聚的问题,研究硅橡胶纳米复合材料的陷阱特性对抑制聚合物材料的空间电荷积聚有重要意义。为此,以甲基乙烯基硅橡胶为基胶,制备了掺杂不同质量分数(5%、10%和20%)纳米SiO_2粒子的硅橡胶纳米复合试样,通过扫描电子显微镜观测了试样的断面形貌,采用电容探头测量了试样在正、负电晕充电条件下的电位衰减特性,并结合双陷阱能级模型和等温表面电位衰减模型,获得了各试样的空穴陷阱特性和电子陷阱特性。研究结果表明:无纳米掺杂的纯硅橡胶试样中空穴陷阱多为浅陷阱,电子陷阱多为深陷阱;与纯硅橡胶相比,掺杂纳米SiO_2粒子的质量分数为5%时,复合材料中空穴深陷阱密度增多,并且空穴陷阱和电子陷阱均以深陷阱为主;而当复合材料中纳米SiO_2粒子质量分数增大至10%和20%时,其空穴和电子深陷阱密度显著下降,材料内部大量的浅陷阱有助于其电荷的消散。研究成果可为直流电缆附件中硅橡胶材料的改性提供一定的参考。     

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。     

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。     

拉伸状态下掺杂SiO2对LDPE材料空间电荷的抑制作用研究

将不同质量分数的SiO_2纳米粒子与低密度聚乙烯(LDPE)复合制备了聚乙烯纳米复合材料,并以纯LDPE作为对照样品,控制拉伸率为10%,利用电声脉冲法(PEA)测量样品内部空间电荷的分布,研究拉伸状态下复合材料内部的空间电荷积聚特性。结果表明:纯LDPE样品在拉伸后空间电荷积聚明显减少,说明拉伸具有抑制LDPE材料内部空间电荷积聚的作用;LDPE/SiO_2复合材料样品在掺杂SiO_2纳米粒子及拉伸后,材料内部空间电荷积聚均有减少,说明掺杂SiO_2纳米粒子和拉伸均有抑制材料内部空间电荷积聚的作用,其中SiO_2纳米粒子对空间电荷的抑制效果随着掺杂量的增加呈现先增大后减小的趋势。掺杂SiO_2纳米粒子引入界面区域是抑制空间电荷积聚的主要原因,而拉伸导致的内部结构变化是影响空间电荷和陷阱分布特性的主要原因。     

环氧树脂/SiO_2纳米复合材料陷阱分布及直流闪络特性

气体绝缘管道输电和气体绝缘组合电器运行过程中盆式绝缘子表面电荷的积累与消散特性对其绝缘破坏具有重要影响,通过纳米颗粒调控环氧树脂表面电荷的动态行为及其闪络特性对提高其安全运行具有重要意义。制备了质量分数为0%、2%、4%、6%和8%的环氧树脂/SiO_2纳米复合材料,获得了其在正、负直流电压作用下表面电位衰减特性、陷阱分布特性及其闪络击穿特性,并建立了基于陷阱调控的闪络击穿失效物理模型。结果表明:正、负电晕充电条件下,SiO_2纳米颗粒均导致环氧树脂表面电位衰减速度减小,纳米质量分数为4%时达到最小值; SiO_2纳米颗粒引入了新的空穴陷阱和电子陷阱,深陷阱能级和陷阱密度均增加,纳米质量分数为4%时达到最大值; SiO_2纳米颗粒提高了环氧树脂的闪络电压,质量分数为4%的纳米复合材料与纯环氧树脂相比,正、负直流电压下闪络电压分别提升了58. 04%和64. 15%。     

纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究(Ⅱ)

在电缆聚乙烯材料中添加一种新型纳米粒子可以有效改善材料中的空间电荷积聚,提高其直流击穿强度和体积电阻率。为深入了解此纳米粒子作用机理,基于电声脉冲法(PEA)和充电-放电电流法,分别测量了在不同温度下、不同纳米含量时聚乙烯纳米复合材料的极化/去极化特性。用PEA方法得到不同温度下材料的平均电荷体密度、视在迁移率和陷阱深度,结果表明,20～40°C下,纯聚乙烯及聚乙烯纳米复合材料试样内的陷阱以浅陷阱分布为主;80°C下,当聚乙烯中纳米粒子质量分数>3%时,会增加复合材料陷阱深度。用充电-放电电流法计算得到材料的迁移率,可知在20～60°C内,不同试样迁移率的变化主要由纳米粒子和温度共同作用产生,而在60～80°C内,迁移率的变化则是温度起主要作用。分析认为,电荷输运受到陷阱与温度的影响是导致电阻率变化的主要原因,而在温度梯度场下,聚乙烯纳米复合材料电阻率的正温度系数趋势是抑制材料内空间电荷积聚的主要原因。     

气体绝缘输电管道用环氧树脂/氮化硼高导热复合材料表面电荷动态特性

大容量气体绝缘管道输电(GIL)运行过程中产生的温升问题会加速环氧树脂绝缘子老化,温度梯度下绝缘子表面电荷行为也与沿面闪络密切相关。为解决上述问题,制备了环氧树脂/氮化硼(EP/BN)高导热复合材料,研究其在加热至60oC再散热不同时间下针板电晕后的表面电荷动态特性。结果表明:在相同温度下,试样表面电荷消散速度随着BN含量的增加而先减慢后加快,起始表面电荷密度先升高后降低;对于同一种试样,随着散热时间的增加,表面电荷消散速度变慢,起始表面电荷密度升高,且通过陷阱能级分布特性发现,试样的深、浅陷阱能级均变低,深陷阱密度增大,浅陷阱密度减小,且BN掺杂含量越高,该分布特性越明显。     

基于等温表面电位衰减法的直流电缆用低密度聚乙烯和交联聚乙烯陷阱电荷分布特性

空间电荷积聚是影响直流电缆安全运行的重要原因,定量表征直流电缆用聚乙烯材料内陷阱电荷的分布特性并分析其内部陷阱产生的根源,对抑制空间电荷积聚、加强直流电缆安全可靠运行具有重要意义。为此,采用直流电晕充电法对低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)和交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)薄膜试样进行了充电,以模拟直流加压时电荷的注入过程。通过考虑材料内入陷电荷的出陷规律,建立了1个等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)模型。通过分析LDPE和XLPE薄膜试样的ISPD数据,获得了其内部陷阱电荷的分布特性,并进一步分析了LDPE与XLPE形态学特性和添加剂对陷阱形成的影响。结果表明:LDPE和XLPE中分别存在2个陷阱中心,即浅陷阱中心和深陷阱中心;LDPE中与XLPE中空穴深陷阱电荷密度都高于空穴浅陷阱电荷,即2者空穴陷阱电荷主要以深陷阱为主;XLPE中空穴浅陷阱电荷与空穴深陷阱电荷之间的数量差距减少,XLPE中空穴浅陷阱高于LDPE中空穴浅陷阱。交联副产物对XLPE内部陷阱的形成产生重要影响,且添加剂形成的空穴类型陷阱的深度并不完全相同。     

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。     

纳米氧化锌/低密度聚乙烯抗光老化性能的热刺激电流分析

叙述了Nano_ZnO/LDPE复合试样的热刺激电流(TSC)的测量方法,对实验结果进行了分析讨论,结果表明,纳米氧化锌(Nano_ZnO)具有提高Nano_ZnO/LDPE复合试样抗光老化的能力,不同含量的Nano_ZnO对复合材料的抗光老化性能有显著的影响。当Nano_ZnO的含量为3%时,能有效减少老化试样的陷阱密度并降低陷阱能级。     

纳米TiO_2对直流电缆用XLPE介电性能的影响

为探索提升高压直流电缆用交联聚乙烯直流介电性能的方法,采用熔融共混法在直流电缆用交联聚乙烯基体中添加微量(质量分数0.1%、0.5%、1%)纳米TiO_2制备得到XLPE/TiO_2纳米复合介质,并通过纳米粒子表面偶联剂处理对比研究了表面改性对XLPE/TiO_2介电性能的影响。采用SEM观测纳米粒子的分散性,测试了XLPE和XLPE/TiO_2的结晶度、电导率温度特性、空间电荷注入特性和直流击穿场强。结果表明,采用偶联剂进行表面处理能够改善纳米粒子的分散性,在直流电缆用XLPE中直接添加微量纳米TiO_2能够增大结晶度、电导活化能和直流击穿场强,降低电导率,抑制正电荷的注入,而添加经过偶联剂处理的纳米TiO_2可使这些影响更加显著。分析认为,结晶度的增大是由于纳米粒子的成核作用,而偶联剂处理使得粒子与基体结合更加紧密从而进一步增大结晶度。电导特性和空间电荷特性的改善主要由于纳米TiO_2形成交互区以及聚集态结构改变对陷阱特性的影响,在较低场强下测试得到的电导活化能的增大即对应为复合介质的深陷阱能级的增加,因此电荷注入得到了明显的抑制。电荷陷阱的引入也使得电导率随粒子含量的增加而减小。直流击穿场强的提高则是由聚集态结构和陷阱特性两者共同作用导致的。因此,高压直流电缆用交联聚乙烯材料可以采用添加微量纳米TiO_2(0.5%)进一步改善直流介电性能,偶联剂处理过程则使得改善效果更加显著。     

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。     

氧化硅掺杂对聚乙烯复合材料空间电荷分布的影响

用双溶液共混的方法制备了相同浓度的纳米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE聚合物复合材料,利用傅立叶红外光谱对复合材料的分子间作用进行了测量。结果表明：聚乙烯分子链没有改变微米SiO2的谱峰,但对于纳米SiOx粒子,聚乙烯分子链使纳米SiOx的特征峰变宽、波数变小。采用PEA电声脉冲法对复合材料的空间电荷分布进行了测量,并对测试数据进行了分析。结果表明：纳米SiOx粒子的添加,使复合材料陷阱的能级变高,纳米SiOx/LDPE复合材料以异极性空间电荷为主,而微米SiO2/LDPE复合材料以同极性空间电荷为主。     

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。     

采用等温表面电位衰减法表征LDPE与HDPE内陷阱的分布特性EI北大核心CSCD

空间电荷积聚对直流电缆的使用寿命和运行安全有重要影响,研究聚乙烯材料内陷阱电荷的分布特性并进一步分析其内部陷阱分布特性,对抑制聚合物材料中空间电荷积聚、提高直流电缆运行的可靠性具有重要意义。通过考虑聚合物材料内电荷的脱陷规律,提出了一个计算聚合物内陷阱分布的等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)模型。通过测量低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)和高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)试样分别在正、负电晕放电充电条件下的表面电位衰减特性,获得其相应的陷阱分布规律,并根据2种试样不同的形态学特性进行分析。结果表明:LDPE与HDPE内陷阱主要以深陷阱为主,陷阱密度近似为1021 m^(-3),与其它文献报道的相一致;HDPE内电子深陷阱多于LDPE内电子深陷阱,电子浅陷阱少于LDPE内电子浅陷阱;LDPE内电子深陷阱多于空穴深陷阱,电子浅陷阱少于空穴浅陷阱。分析认为:LDPE与HDPE独特的聚集态结构,以及电子和空穴电导的差异对陷阱电荷分布产生重要影响。     

采用等温表面电位衰减法表征LDPE与HDPE内陷阱的分布特性

空间电荷积聚对直流电缆的使用寿命和运行安全有重要影响,研究聚乙烯材料内陷阱电荷的分布特性并进一步分析其内部陷阱分布特性,对抑制聚合物材料中空间电荷积聚、提高直流电缆运行的可靠性具有重要意义。通过考虑聚合物材料内电荷的脱陷规律,提出了一个计算聚合物内陷阱分布的等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)模型。通过测量低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)和高密度聚乙烯(high-density polyethylene,HDPE)试样分别在正、负电晕放电充电条件下的表面电位衰减特性,获得其相应的陷阱分布规律,并根据2种试样不同的形态学特性进行分析。结果表明:LDPE与HDPE内陷阱主要以深陷阱为主,陷阱密度近似为1021 m~(-3),与其它文献报道的相一致;HDPE内电子深陷阱多于LDPE内电子深陷阱,电子浅陷阱少于LDPE内电子浅陷阱;LDPE内电子深陷阱多于空穴深陷阱,电子浅陷阱少于空穴浅陷阱。分析认为:LDPE与HDPE独特的聚集态结构,以及电子和空穴电导的差异对陷阱电荷分布产生重要影响。     

聚丙烯/Al_2O_3纳米复合介质直流击穿特性与电荷输运仿真研究

聚丙烯以其优异的电气性能被广泛用于电力电容器,并且是一种潜在的环保型高压直流电缆绝缘材料。直流电压作用下的空间电荷注入和积聚特性是绝缘介质电击穿的重要因素。为研究击穿特性与电荷输运的关联,分别制备掺杂质量分数为1%、7%和15%的聚丙烯/氧化铝纳米复合介质,测试极化、热刺激去极化电流、高场电导、正电子湮灭和直流击穿特性。实验结果表明:1%质量分数的纳米复合介质的直流击穿场强相较于纯聚丙烯增加,这对应于在1%质量分数的复合介质中较深的陷阱;而7%和15%复合介质的击穿场强和陷阱能级均减小。复合介质的自由体积尺寸未发生明显改变。基于双极性电荷输运模型,仿真计算空间电荷和电场畸变特性随陷阱能级和升压时间的动态演变过程。仿真结果表明,在较大的陷阱能级时的注入电荷密度和电场畸变率均减小;电荷向介质体内的迁移深度在较大的陷阱能级时变浅;随着加压时间的增加,在电场达到一定阈值后的电荷注入和电场畸变才较为明显。深陷阱捕获载流子后形成的同极性电荷积聚和抑制的载流子迁移率均有利于直流击穿性能的提升。     

纳米粒子改性聚乙烯直流电缆绝缘材料研究(Ⅰ)

由于高压直流塑料电缆运行中温度梯度效应会引起场强畸变,选用一种特殊的纳米粒子作为填料,通过熔融共混制备出不同填料质量分数(1%,3%,5%)的低密度聚乙烯(LDPE)纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)观察,证明纳米粒子在聚乙烯中分散均匀。利用电声脉冲(PEA)法研究了温度梯度场下LDPE纳米复合材料中的空间电荷及场强畸变特性;并测量了不同温度下的体积电阻率和直流击穿特性。结果表明,该种纳米粒子的添加能有效改善温度梯度场下聚乙烯绝缘中电荷积聚和场强的畸变现象,并提高聚乙烯的直流击穿强度。同时发现,该聚乙烯纳米复合材料体积电阻率随着温度升高呈现先升后降趋势。