无机纳米杂化聚酰亚胺薄膜耐电晕性能研究进展

随着电力电子技术的发展,脉宽调制逆变器被广泛应用,变频电机中绝缘材料因电晕过早失效的情况,强烈要求耐电晕性能更佳的绝缘材料.纳米杂化聚酰亚胺(PI)是目前最佳的耐电晕性能材料之一,是目前电气、材料、物理和化学领域的研究热点.综述了纳米杂化PI耐电晕薄膜的国内外研究现状,分类介绍了Al2O3,Ti O2,Si O2等不同种纳米颗粒掺杂PI的耐电晕性能,并初步概括了其电场作用下的老化和现有的耐电晕机理和模型.总体来看,研究材料载流子输运和电老化的起始、抑制机理,纳米颗粒掺杂对基体的电晕老化影响的规律,开发出更高绝缘等级和耐电晕的PI的依然有具有十分重要的科学意义和实用价值.     

无机纳米杂化聚酰亚胺中电荷陷阱分布的测量

为了研究纳米颗粒在聚酰亚胺材料中的作用,利用热激退极化电流方法测量了无机纳米杂化聚酰亚胺薄膜中电荷陷阱的分布.实验表明在495K左右,聚酰亚胺样品存在一个很宽的热激电流峰,估算了实验样品中电荷陷阱的能级分布在0.45～0.75eV.比较了经SiO2和Al2O3纳米杂化聚酰亚胺试样和原始聚酰亚胺试样的电荷陷阱分布情况,发现无机纳米掺杂物的加入明显使材料中的电荷陷阱密度增加.这可能是无机纳米复合聚酰亚胺薄膜耐电晕性能提高的原因之一.同时还发现,SiO2无机纳米复合聚酰亚胺的陷阱能级密度大于Al2O3无机纳米复合聚酰亚胺,说明在聚酰亚胺材料中,SiO2纳米颗粒比Al2O3更有效地引入电荷陷阱.     

无机纳米-聚酰亚胺复合薄膜介电性研究

测试了纳米Al2O3-聚酰亚胺(PI)复合薄膜和纳米SiO2-聚酰亚胺复合薄膜的介电常数、介质损耗角正切和电导电流特性.结果表明,随着无机物含量的增加,两种复合薄膜的相对介电常数和介质损耗角正切增大,电老化阈值减小;无机物含量相同时,Al2O3-聚酰亚胺复合薄膜的相对介电常数和介质损耗角正切比SiO2-聚酰亚胺复合薄膜大,电导电流大,电老化阈值小.     

纳米Zr-Ti-Al复合氧化物杂化PI薄膜的耐电晕性

采用微乳化-热液法制备了一系列不同比例Zr-Ti改性的纳米氧化铝分散液,用原位聚合法分别制备了无机纳米杂化聚酰亚胺复合薄膜,研究不同的Zr-Ti比例对杂化薄膜的耐电晕性、电导电流及电老化阈值的影响.结果表明:复合薄膜的耐电晕性有明显提高,当Zr:Ti=2:3时,耐电晕寿命达到最大;电老化阈值随Ti含量的增加呈现先增大后减小的趋势.当Zr:Ti=3:2时,电老化阈值达到最大.     

PI/Al_2O_3/SiO_2杂化薄膜的力学及电学性能

采用原位聚合法制备掺杂无机粒子质量分数从1%~5%的PI/Si O2/Al2O3纳米杂化薄膜.通过SEM发现无机纳米Al2O3和纳米Si O2颗粒在聚酰亚胺基体中有很好的相容性和分散性,其颗粒尺寸大约在100 nm左右.采用万能试验机和宽频介电谱分析仪研究不同浓度Al2O3和Si O2的掺杂对PI薄膜的力学性能和电学性能的影响.当质量分数为3%的时候,杂化薄膜力学性能最佳,具有最大的拉伸强度(36.143MPa)和断裂伸长率(10.88%).并且在100Hz下它相比于其它含量的杂化薄膜,具有最小的介电常数(6.76)、介电损耗(0.01)和电导率(3.94×10-12S·m-1).     

组分对PI/TiO_2纳米复合薄膜电学性能的影响

采用原位聚合法制备聚酰亚胺/二氧化钛(PI/TiO2)纳米复合薄膜.利用扫描电镜、X射线衍射仪对复合薄膜进行表征及结构分析,研究无机组分对复合薄膜电学性能的影响.结果表明,TiO2颗粒与PI基体相容性好、分布较均匀.随着无机组分的增加(0~7%),复合薄膜的击穿场强先升高后降低,在1%组分处达到最大值240 kV/mm;复合薄膜的耐电晕寿命持续增加;介电常数先降低后升高,在3%组分处达到最小值3.11,在7%组分处为3.49;电导率与介电损耗随组分变化不大,在102Hz频率下,薄膜电导率均小于6.0×1013S/cm;聚酰亚胺/二氧化钛纳米复合薄膜具有良好的介电性能与热稳定性.     

纳米氧化铝改性聚酰亚胺薄膜的制备与表征

采用微乳化技术制备了铝的纳米氧化物分散液,并将其掺杂到聚酰亚胺基体中,分别制备出质量分数为4％、8％、12％、16％、20％、24％的聚酰亚胺杂化薄膜．利用耐电晕测试装置、耐击穿测试装置、热失重分析仪（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）对薄膜进行了性能测试和结构表征．结果表明,经铝的纳米氧化物杂化的聚酰亚胺薄膜的耐电晕性能随铝的纳米氧化物掺杂量的增加而提高,当纳米组分的质量分数达到24％时,在60kV／mm的工频电压下,薄膜的耐电晕寿命可达50．7h（IEC343）;杂化薄膜的击穿场强随掺杂量的增加而下降;铝的纳米氧化物掺杂量增加可以提高聚酰亚胺薄膜的热分解温度;所掺杂的纳米粒子可以较均匀地分散在聚酰亚胺基体中．     

三层复合PI薄膜厚度比对其介电性能影响

利用微乳化-热液法制备纳米分散液,制备了掺杂层与中间纯聚酰亚胺（PI）层厚度比不同的三层复合薄膜.在相同环境条件下通过透射电镜（TEM）、击穿场强和耐电晕测试分别对三层复合薄膜的微观结构和纳米掺杂层厚度比例的变化与介电性能的影响进行了分析.TEM测试结果表明纳米粒子在有机基体中的分散均匀;介电强度测试和耐电晕测试表明随掺杂层厚度比例的增加,击穿场强逐渐下降,耐电晕性能呈先上升后下降趋势.     

PI/TiC@Al2O3复合薄膜的制备及其电性能研究

随着电子元件集成度的不断提高,对新型有机/无机功能电介质复合材料的研究已成为热点.利用异丙醇铝的水解,在TiC粒子表面生成一层氧化铝(Al2O3),获得分散均匀的TiC@Al2O3纳米粒子.采用机械共混法将改性后的TiC@Al2O3粒子掺杂入聚酰亚胺基体中,制备出PI/TiC@Al2O3复合薄膜.对改性后TiC@Al2O3粒子的形貌及其热分解机理进行了研究,重点分析了TiC@Al2O3纳米粒子的引入对复合薄膜的表面形貌和电性能的影响规律.实验结果表明,当TiC与异丙醇铝摩尔比为1∶1时粉体的分散效果最好,此时TiC@Al2O3纳米粒子的热失重过程出现明显的AlOOH分解现象,表明在TiC表面已生成Al2O3.复合薄膜的表面SEM分析结果表明,当TiC@Al2O3粉体体积分数低于15％时,无机相粒子在薄膜中的分散性保持得较好,未出现明显的团聚现象.电性能测试结果表明,随着TiC@Al2O3纳米粒子含量的增加,复合薄膜的体积电阻率、表面电阻率和电击穿场强均逐渐下降,表明TiC@Al2O3纳米粒子的引入显著提高了复合薄膜的导电性.     

拉伸纳米掺杂三层复合PI薄膜的介电性能

对部分亚胺化的纳米Al/Si掺杂三层复合聚酰胺酸薄膜进行拉伸处理(拉伸比为:横向5%,纵向2.5%),然后经高温闭环,制得一系列不同厚度的拉伸和未拉伸三层复合PI薄膜.在相同的环境条件下测试电导电流、介电谱和耐电晕老化寿命,研究掺杂层厚度和拉伸比例对复合薄膜介电性能的影响.结果表明:对于未拉伸的薄膜,随着掺杂层厚度的增加,电老化阈值略有下降、耐电晕寿命明显的提高;在相同场强下,电导电流随着掺杂层厚度的增加而增大.对于相同厚度的薄膜,拉伸也会使电导电流增大、电老化阈值略有减小,拉伸也使得耐电晕寿命明显的提高.在本实验范围内,拉伸对复合薄膜介电性能的影响,类似于增加掺杂层厚度的作用.     

PAA短链处理纳米粒子改性PI薄膜的介电性能

制备理论平均聚合度不同的聚酰胺酸短链分子用来处理纳米粒子,把经过处理的纳米分散液与高聚合度聚酰胺酸溶液纳米掺杂,再用流延法制得改性的纳米复合聚酰亚胺薄膜.通过介电谱、电导电流和耐电晕测试,研究不同聚合度聚酰胺酸短链分子处理纳米粒子对PI薄膜介电性能的影响.结果表明:随着聚酰胺酸短链分子理论平均聚合度的增加,复合薄膜介电系数逐渐增大,介电损耗逐渐变小,电老化阈值逐渐增大.在试验调整范围内,复合薄膜的耐电晕寿命随着聚酰胺酸短链分子理论平均聚合度的增加逐渐减小,但是变化幅度不太大,且均高于未用聚酰胺酸短链分子处理的薄膜.     

PI/Mg(OH)_2纳米复合薄膜的介电性能

采用原位聚合法制备了聚酰亚胺(PI)/氢氧化镁(Mg(OH)2)纳米复合薄膜,设定Mg(OH)2掺杂量的质量分数分别为0%,1%,2%,4%和8%,研究纳米氢氧化镁不同掺杂量对聚酰亚胺薄膜电导电流、电老化阈值、介电系数的影响.结果表明:纳米氢氧化镁掺杂量质量分数为4%时,复合薄膜的电导电流出现最大值;随着Mg(OH)2掺杂量的增加,复合薄膜的电老化阈值和介电系数均逐渐增大.     

无机纳米杂化聚酰亚胺薄膜的制备及耐局部放电特性

通过正硅酸乙酯及异丙醇铝在聚酰胺酸的N,N′-二甲基乙酰胺溶液中的溶胶凝胶反应,制备出了具有一定SiO2和Al2O3质量分数的聚酰亚胺复合薄膜,并且分别利用傅里叶变换红外光谱和原子力显微镜对薄膜进行测试和微观结构分析,研究表明,所制得的复合薄膜中有机相和无机相形成了很好的纳米复合体系,经电晕试验研究发现该复合薄膜具有优异的耐局部放电特性,该复合结构对开发新型工程电介质材料有着重要的推动作用。     

拉伸比对纳米杂化PI复合薄膜力学性能的影响

为了考查拉伸对无机纳米硅/铝氧化物掺杂三层复合聚酰亚胺薄膜的影响,对适当亚胺化的薄膜进行了拉伸比分别为:0%(未拉伸)、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%的处理,然后经高温完全亚胺化。在相同的条件下对不同拉伸比的三层复合薄膜用电子万能材料试验机进行拉伸测试。结果表明:因掺杂了纳米无机氧化物,PI薄膜的弹性模量略有增加,拉伸强度和断裂伸长率明显下降,但仍保持较好的力学性能;PI薄膜的屈服应该是聚酰亚胺分子链本身的强迫高弹形变,与PI薄膜是否掺杂纳米无机氧化物或者是否经过拉伸处理无关;随着拉伸比的增加,无机纳米氧化物掺杂三层复合PI薄膜的弹性模量整体上存在先缓慢增加而后逐渐下降的趋势,拉伸强度和断裂伸长率先下降然后上升。     

局部放电对聚酰亚胺薄膜分子结构及表面形貌的影响

为了研究聚酰亚胺薄膜耐局部放电机理,采用红外光谱分析、原子力显微镜分析、介电谱测量方法,测试了局部放电作用前后普通聚酰亚胺薄膜和无机纳米杂化耐电晕型聚酰亚胺薄膜的分子结构、表面形貌和ε-ω、tanδ-ω特性,得出电晕使普通聚酰亚胺薄膜分子结构及表面形貌发生了改变而耐电晕型薄膜没有明显变化,电晕前后两种薄膜的ε-ω、tanδ-ω特性相同。     

三层复合PI薄膜厚度比对其电导特性影响

以微乳化-热液法制备硅/铝氧化物纳米分散液,并制备了一系列掺杂层与中间层厚度比不同的纳米掺杂三层复合聚酰亚胺(PI)薄膜.在相同环境条件下进行了薄膜的透射电镜(TEM)测试和电导电流测试.TEM测试结果可以直接观察到纳米粒子在有机基体中分散均匀,且可得到三层复合薄膜的复合结构,掺杂层和中间层的尺寸比例符合实验要求.复合薄膜的电导电流在同一电场强度下随着掺杂层厚度比例的增加逐渐增大,而电老化阈值随着掺杂层厚度比例增大向低场强方向移动.     

聚酰亚胺纳米复合材料结构和性能的分子模拟

采用MS分子模拟技术,系统地模拟了掺杂纳米α-A l2O3和SiO2聚酰亚胺复合材料的结构和性能.结果表明:PI具有近程有序而远程无序的三维非晶形结构,元胞的形状接近立方体;纳米α-A l2O3比SiO2掺杂PI改性效果好,纳米掺杂引起了聚酰亚胺结构、晶体类型和性能的改变.     

纳米Al2O3改性聚酯亚胺介电性能

为了提高聚酯亚胺树脂耐电晕性能,采用微乳化-相转变法制备纳米Al_2O_3溶胶,并通过机械共混,使其分散到聚酯亚胺树脂溶液中,制备了纳米Al_2O_3杂化聚酯亚胺复合材料。实验结果表明:纳米粒子在聚酯亚胺基体中分散均匀;随掺杂量的提高,复合材料的耐电晕性呈上升趋势,但介电强度呈下降趋势,当纳米掺杂质量分数为12%时,耐电晕寿命达到纯聚酯亚胺树脂的5倍,介电强度达到175.2 kV/mm;纳米Al_2O_3对复合材料的介电损耗影响很小,但介电系数随掺杂量增加而略有升高;引入纳米Al_2O_3对材料耐热性影响不大。     

纳米压印法制作亚波长结构PI减反射膜

为提高柔性基底太阳能电池光电转化效率,减少表面反射损失,用Tracepro光学仿真软件模拟设计亚波长结构减反射膜尺寸参数,仿真结果表明亚波长结构薄膜在纳米柱高度72 nm,占空比为0.5,光栅周期在300~440 nm处,光通量增强效果最佳.采用纳米压印技术,以多孔结构阳极氧化铝为模板,制作聚酰亚胺基底减反射膜.采用扫描电子显微镜和紫外-可见分光光度计研究了阳极氧化技术所制作的Al2O3模板及其纳米压印技术等工艺参数对PI薄膜透过率的影响.测试结果表明,在0.3 mol/L草酸溶液中,70 V恒压模式连续反应1 h条件下制备AAO模板,在280℃,800 kg压力条件下,热压印时间为10 min所得PI膜.在AM1.5大气质量条件下,UV-VIS透射光谱从440~1 000 nm区域,所制作的薄膜较原始PI膜的透过率提高2%~5%.     

无机杂化聚酰亚胺膜的制备及结构和介电性能

采用溶胶-凝胶工艺制备了含不同原子数比Al和Si的杂化聚酰亚胺薄膜．分别利用傅里叶变换红外光谱和原子力显微镜对薄膜的表面形貌和结构进行分析,并讨论了无机组分的组成对薄膜介电谱的影响．结果表明,在无机组分中Al的质量分数变化和掺杂前Al和Si溶胶中适当的Al和Si的连接结构,对无机相在聚酰亚胺基体中的分散性和其粒子尺寸的均化程度有一定的影响,而且无机组分的组成对薄膜的介电性能也有一定的影响．