不同表面处理剂对纳米MgO/LDPE空间电荷行为的影响

为研究不同表面处理剂对纳米MgO/低密度聚乙烯(LDPE)复合介质空间电荷行为的影响,将经过不同表面处理的纳米MgO颗粒以不同质量分数填充到低密度聚乙烯中,制得纳米复合介质,并对不同纳米复合介质的微观特性结构和空间电荷分布进行了实验研究。微观特性研究表明,经过表面处理,无机纳米颗粒与聚合物的结合作用得到增强,复合介质结晶度增加;空间电荷实验表明,添加经过不同表面处理的纳米MgO后复合介质在短路时阴极和阳极均积累了同极性电荷。此外,在不同无机纳米颗粒填充质量分数下,经过不同表面处理剂修饰后的纳米复合介质内部积累的空间电荷得到不同程度的抑制。总体而言,铝酸酯偶联剂对纳米MgO颗粒的表面处理效果相对较好。     

LDPE中掺入浮石粉对其空间电荷分布特性的影响

为研究低密度聚乙烯和掺杂浮石粉的聚乙烯中的空间电荷分布规律,采用热共混法制备了掺杂不同质量分数浮石粉的低密度聚乙烯(LDPE)材料,并利用脉冲电声法,分别测试了在不同电场强度下以及短路状态下的空间电荷分布随时间的变化。得出在电场的作用下,纯聚乙烯中的空间电荷主要积聚在电极附近且大部分为同极性电荷;相对地,浮石粉复合聚乙烯中则有大量的异极性电荷在阴极附近出现,并且电荷量随着浮石粉质量分数的提高而增加,而当浮石粉质量分数为5%时,且电场强度较高时,有大量正电荷从阳极注入并向阴极移动的空间电荷包现象;短路实验的结果表明,纯聚乙烯和浮石粉的质量分数为1%的复合聚乙烯中的空间电荷衰减较快,然而浮石粉质量分数为2%和5%的复合聚乙烯中的空间电荷衰减较慢。测试结果表明,浮石粉复合低密度聚乙烯材料中出现的异极性电荷和正电荷注入将有助于改善空间电荷分布,从而提高高聚物材料的介电性能。     

MgO/LDPE纳米复合材料抑制空间电荷及电树枝化特性

应用经硅烷偶联处理后的纳米氧化镁(MgO)粉末与低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)共混,制得MgO/LDPE复合介质。高成分衬度扫描电镜(scanningelectron microscope,SEM)中图像表明,粒径为100 nm左右的MgO纳米粒子均匀的分散于介质中。通过电声脉冲法(pulsed electro-acoustic,PEA)测试发现,当纳米MgO填料的质量分数为4%时,可以有效抑制空间电荷的注入,伏安特性的实验结果表明,复合介质拥有更高的空间电荷注入阈值场强。通过电树枝实验,发现复合介质可以抑制电树枝的引发和生长。最后,对实验结果进行了分析,探讨了纳米复合介质抑制空间电荷和树枝化生长的机制。纳米颗粒与基体材料界面电荷行为可能是复合介质电学性能改善的原因。     

MgO/LDPE纳米复合材料制备及其空间电荷特性

为了降低低密度聚乙烯中的空间电荷积累,在自制纳米MgO粉体的基础上,采用熔融共混法,制备了氧化镁/低密度聚乙烯(MgO/LDPE)纳米复合材料,并通过扫描电镜(SEM)观察了MgO/LDPE纳米复合材料中的MgO粒径大小和分散情况,采用差热扫描量热法(DSC)确定了不同MgO质量分数纳米复合材料的结晶度,采用电声脉冲法(PEA)测量了不同MgO质量分数纳米复合材料的空间电荷分布,测量了不同MgO质量分数纳米复合材料的拉伸性能。试验结果表明,MgO/LDPE纳米复合材料体系中,MgO粒径约为50nm,且分散均匀;不同MgO质量分数纳米复合材料的弹性模量和抗张强度均高于纯LDPE的,且MgO质量分数为2%时达到最大值;不同MgO质量分数纳米复合材料的结晶度均高于纯LDPE的;纳米MgO能抑制空间电荷的注入和其在材料体内的迁移,质量分数为3%时,MgO/LDPE纳米复合材料中的空间电荷得到了良好的抑制。     

基于空间电荷的纳米MgO/LDPE中电荷输运的计算方法研究

为定量分析研究纳米氧化镁(MgO)/低密度聚乙烯(LDPE)复合介质的空间电荷行为,将粒径20 nm的纳米MgO颗粒以不同浓度填充到LDPE,并对纳米复合介质的空间电荷分布进行了实验研究。通过空间电荷实验的结果,对其进行多种方法的计算分析,计算分析结果表明:1)浓度为0.5wt%和2wt%的积累空间电荷的平均体电荷密度最大,而浓度1wt%的纳米MgO/LDPE的平均体电荷密度最小;2)浓度为2wt%的纳米MgO/LDPE的视在迁移率和体电荷密度衰减速率最高,其次是浓度为0.5wt%的,最低的是浓度为1wt%的纳米复合介质;3)浓度为1wt%的纳米MgO/LDPE的陷阱深度最大,其次是浓度为0.5wt%的,而陷阱深度最小的是浓度为2wt%的纳米Mg O/LDPE;4)浓度为2wt%的纳米MgO/LDPE试样中的场强畸变最大,其次是浓度为1wt%的,而场强发生畸变幅度最小的是浓度为0.5wt%的纳米MgO/LDPE。     

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。     

半导电材料对纳米MgO/XLPE复合介质空间电荷影响的研究

聚合物纳米复合介质中空间电荷的注入与半导电电极材料密切相关,文中采用电声脉冲(PEA)法测量了预压-60 kV/mm电场1 h后,对比研究了六种不同半导电电极材料下交联聚乙烯(XLPE)和MgO/XLPE复合介质中的空间电荷分布;并对不同半导电电极材料下MgO/XLPE复合介质中的平均电荷密度进行了计算。对比实验表明:配方不同的半导电电极材料确实对试样中空间电荷的分布以及空间电荷量影响很大;以乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)为基础材料、添加30wt%炭黑的第二种半导电材料对MgO/XLPE复合介质中空间电荷的抑制效果最好。     

乙烯咔唑接枝低密度聚乙烯的电性能研究

采用流变仪混炼器通过熔融法制备了乙烯咔唑(VK)接枝低密度聚乙烯,研究了VK含量对咔唑接枝低密度聚乙烯(VK-g-LDPE)复合材料的击穿场强、空间电荷、体积电阻率等电性能的影响。结果表明:随着VK含量的增加,VK-g-LDPE对内部空间电荷的抑制作用先增强后减弱,复合材料的击穿场强和体积电阻率呈先升高后降低的趋势。当VK含量为13.0%时,复合材料的击穿场强比纯LDPE提高了67.73%,空间电荷量比纯LDPE降低了95.9%,体积电阻率为纯LDPE的2.59倍。     

CB/LDPE复合介质抑制空间电荷机制及电导特性对电场分布的影响

为研究低剂量炭黑(carbon black,CB)对低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)空间电荷和电导特性的影响,该文采用熔融共混法制备了CB/LDPE复合介质,利用电声脉冲法测试LDPE和CB/LDPE复合介质的空间电荷分布,并在不同温度下测试了其直流电导特性。采用量子化学分子动力学模拟等手段对CB/LDPE复合介质的陷阱特性进行研究。另外采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics分别仿真研究了以LDPE和CB/LDPE复合介质为绝缘的直流电缆绝缘层内电场分布。结果表明:CB/LDPE复合介质具有较强的空间电荷抑制能力、较低的电导率和电导温度依赖特性;CB颗粒作为陷阱具有较强的捕获电子能力;CB/LDPE复合介质在较大温度梯度下可有效地抑制绝缘层外侧场强的显著增加。分析认为CB颗粒的陷阱作用是改善CB/LDPE复合介质空间电荷和电导特性的主要原因,而CB/LDPE复合介在较大温度梯度下抑制场强畸变则归因于其合理的电导特性。     

空间电荷与直流电导联合测试技术用于纳米MgO抑制XLPE中空间电荷的研究

粒径70nm的MgO以不同浓度与交联聚乙烯(XLPE)共混制成聚合物纳米复合介质。采用自主研发的四电极系统同时测量复合介质的高场电导特性和空间电荷分布。通过强场电导实验发现,在室温下,XLPE及纳米MgO/XLPE复合介质的电导机理不是单纯的空间电荷限制电流(SCLC)。此外,添加纳米MgO可以明显地提高空间电荷的注入阈值,并且在低于空间电荷注入阈值的电场下,复合介质的电导电流密度随纳米MgO浓度的增加,先减小后增大。最后从空间电荷的实验数据验证了纳米MgO能有效抑制XLPE中空间电荷,并进一步定性地认为纳米Mgo的添加提高了电子注入的电场强度阈值。     

DC conduction and electrical breakdown of MgO/LDPE nanocomposite

To understand basic electric properties of nano-sized magnesium oxide (MgO) / low-density polyethylene (LDPE) nanocomposite under DC voltage application, the volume resistivity, the space charge distribution and the breakdown strength were investigated. By the addition of nano-sized MgO filler, both the DC breakdown strength and the volume resistivity of LDPE increased. At the average DC electric field of about 85 kV/mm and more, a positive packet space charge was observed in LDPE without MgO nano-filler, whereas a little homogeneous space charge was observed in MgO/LDPE nanocomposite material at the front of electrode. From these results, it is confirmed that the addition of MgO nano-filler leads to the improvement of DC electrical insulating properties of LDPE.     

氯化聚乙烯共混对聚乙烯的空间电荷效应的影响

在直流电场作用下 ,用电声脉冲法测量了低密度聚乙烯 (LDPE)中空间电荷的分布 ,计算结果表明 ,异极性空间电荷严重畸变试样中的电场的分布。以少量氯化聚乙烯 (CPE)混入低密度聚乙烯中 ,大大降低了试样中的空间电荷 ,电场分布趋向均匀。在正负极性直流预压短路树枝试验中 ,分别提高试样短路树枝起始电压 2 6 8%和 36 3%。通过直流预压和电晕电荷注入后 ,短路过程中空间电荷分布的测量 ,提出氯化聚乙烯的作用机理在于降低了聚乙烯中陷阱的深度和密度。     

空间电荷对低密度聚乙烯电气击穿特性的影响

为解决聚乙烯用作电线电缆绝缘材料时所受空间电荷问题的困扰,采用在低密度聚乙烯(low density po-lyethylene,LDPE)试品上施加直流预电压使其中积聚一定量的空间电荷,然后测量试品击穿强度的方法,研究了空间电荷对LDPE击穿特性的影响。结果表明,与未经过预电压处理的LDPE的击穿强度相比,在经过较低场强(50 kV/mm)预电压处理后,预电压与击穿电压极性相同时击穿强度提高了约9%,极性相异时击穿强度降低约14%;而经过较高场强(150 kV/mm)预电压处理后,预电压时LDPE中出现空间电荷包现象,预电压后同极性击穿强度提高约19%,而异极性击穿强度反而上升约16%。分析认为空间电荷包在LDPE中的运动导致了部分空间电荷的中和,使得空间电荷积聚量减少,同时LDPE中可能的缺陷得到了一定程度的老炼而使介质得到了均匀化,从而使LDPE的击穿强度得到了提高。     

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.     

冷却介质对低密度聚乙烯空间电荷输运特性的影响

低密度聚乙烯是高压电力电缆的主要绝缘材料,空间电荷被认为是影响电力电缆绝缘安全可靠性的关键因素之一。为此,选用冰水、空气和硅油3种不同冷却方式对聚乙烯试品进行淬火处理,采用电声脉冲法测量系统对聚乙烯试品中空间电荷的消散特性进行了测试,并结合阶梯式升压试验测定空间电荷阈值场强,根据空间电荷限制电流理论推导出总电荷量与电荷迁移率,采用差示扫描量热法分析了试样的结晶度和晶粒尺寸均匀性。试验与分析结果表明:硅油冷却聚乙烯电荷视在迁移率大于冰水、空气冷却试样;3种试样中,硅油冷却聚乙烯结晶度较高,晶粒尺寸分布较均匀,阈值场强较高,而冰水冷却聚乙烯结晶度、晶粒分布均匀性与阈值场强较低。     

Space charge trapping in electrical potential well caused by permanent and induced dipoles for LDPE/MgO nanocomposite

Space charge accumulation in low-density polyethylene film containing a small amount of MgO nanoparticles (LDPE/MgO nanocomposite film) subjected to an electric field greater than 100 kV/mm has been studied using an improved pulsed electroacoustic (PEA) system. No marked space charge accumulation was observed in LDPE/MgO nanocomposite films. To determine the mechanism of no space charge accumulation in the LDPE/MgO nanocomposite film, we compared electric potential wells produced by a permanent dipole moment such as that of carbonyl groups (C=0) and an induced dipole consisting of MgO nanoparticles (spherical dielectrics) under a high electric field to create a trapping site for electric charge carriers. The trapping depth created by the permanent dipole moment such as that of the carbonyl groups (C=0) of chemical defects is approximately 0.45 eV. However, the potential well induced by high-permittivity dielectric nanoparticles (MgO) is about 1.5 to 5.0 eV, which is much deeper than that induced by chemical defects. The suppression of space charge formation is explained using the potential well model consisting of a dipole induced by a high-permittivity dielectric nanoparticle. We explained the suppression mechanism of charge accumulation in the LDPE/MgO film that contains deep traps.     

茂金属聚乙烯改性低密度聚乙烯中电荷入陷与传输特性

聚合物的电性能与其物理、化学、微观结构密切相关.通过电声脉冲(PEA)法测量少量茂金属聚乙烯(MPE)与低密度聚乙烯(LDPE)共混物在不同场强作用下的去极化特性.根据空间电荷限制电流(SCLC)理论,通过公式推导求解共混物平均电荷体密度、视在迁移率、陷阱深度分布及阈值场强.结果表明,1%MPE与LDPE共混,能有效减少深陷阱密度,增加浅陷阱密度,提高电荷迁移率和阈值场强.     

Space charge behavior in XLPE cable insulation under 0.2-1.2 MV/cmdc fields

This report deals with space charge behavior in PE (polyethylene) under dc fields. Direct observation of time-dependent space charge profiles in 3-mm thick XLPE (crosslinked low-density polyethylene) cable insulation under dc electric fields was performed using the pulsed electroacoustic method. Stable hetero charges were formed when the field was as low as 0.2 MV/cm, and intermittent generation of packet shaped space charges and their propagation through the insulation were observed when the field was as high as 0.7 MV/cm. These phenomena were reproduced in sheet specimens of XLPE and LDPE (low-density polyethylene). It was found that hetero charges resulted from heat treatment of the XLPE specimen containing antioxidant and acetophenone, which is one of the crosslinking by-products, suggesting dissociation of the antioxidant through solvation at high temperature by acetophenone. The packet charges were easily detected when acetophenone was diffused into the LDPE specimen. However, uniformity of acetophenone distribution prevented the packet charge generation. It is suggested on the basis of several experimental results that local ionization of impurities in the insulation through solvation by acetophenone takes place assisted by high field and leads to the packet charge generation. A numerical simulation was carried out based on the above model