聚丙烯纳米复合电介质的陷阱分布特性与储能性能提升研究

为探究纳米复合电介质的陷阱分布特性及其对储能性能的提升机理,本文制备三种聚丙烯纳米复合电介质,并测试其理化、介电及储能特性。测试结果表明,掺杂氮化硼纳米片的试样具有更高的熔融温度、结晶度、极化强度、电阻率、击穿强度及储能密度。分析发现,聚丙烯纳米复合电介质电导率的电场依赖性符合指数陷阱下的跳跃电导模型,其温度依赖性满足Meyer-Neldel补偿规则,这表明纳米复合电介质中的指数型分布陷阱与基体的机理相同。同时,拟合结果表明纳米掺杂主要改变最深陷阱能级,其与结晶度成正比,并基于缨状微束模型解释了陷阱能级增大和储能密度提升的机理。纳米粒子引入的有序紧密的界面区会束缚分子运动,进而阻碍电荷输运和能量积累,表现为电导率下降和击穿强度提高,最终实现储能性能的提升。     

复合电介纳米质的短时击穿及长时失效特性

介绍聚合物绝缘失效对电网的安全运行造成严重的影响,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,其中短时击穿及长时失效是纳米复合电介质的关键性能之一。针对目前纳米电介质的研究现状,综述了纳米电介质的短时击穿、真空沿面闪络、耐电晕、耐局部放电、耐电树老化、疏水特性以及其非线性电导特性,讨论了纳米掺杂对以上性能的改善机理。总结了纳米电介质研究的关键理论和技术问题,认为纳米粒子和聚合物基体之间的界面区是影响纳米电介质电气、理化、机械等性能的关键,并指出对纳米电介质界面区的认识及调控是今后的研究方向和重点。     

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。     

纳米TiO2-MWCNTs掺杂提升环氧绝缘材料真空直流沿面闪络性能

选用两种纳米填料:纳米氧化钛(TiO2)和多壁羟基碳纳米管(MWCNTS),向环氧树脂中单独或同时加入两种粒子,制备16种不同的环氧纳米复合电介质.通过体积电阻率测试、表面电位衰减试验与真空直流沿面闪络试验,探究纳米粒子对环氧纳米复合电介质沿面闪络特性的影响.结果表明:环氧纳米复合电介质的沿面闪络电压与填料的质量分数有关,适量的纳米填料会提升复合电介质的沿面闪络电压.单独加入纳米TiO2与MWCNTS分别将闪络电压提升了14.49％和23.11％,同时加入两种填料可进一步将闪络电压提升至44.99 kV,提升幅度高达36.06％.通过表面电位衰减曲线计算了材料的表面陷阱特性.分析深陷阱与沿面闪络电压的关系发现,闪络电压与深陷阱能级线性相关,陷阱能级越深,闪络电压越高.同时添加两种纳米粒子可以提高材料的深陷阱深度,从而抑制材料表面电子发射和电荷输运过程,提高沿面闪络电压.     

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MgO/环氧复合电介质的空间电荷特性研究

环氧复合材料在高温高场等复杂的工况下易积聚空间电荷，造成局部场强畸变，严重时将引发局部放电乃至绝缘击穿。通过纳米MgO颗粒与环氧树脂（EP）混合制备不同掺杂率的纳米MgO/EP复合电介质，采用差示扫描量热分析（DSC）测试环氧复合电介质的玻璃化转变温度；采用热刺激去极化电流法（TSDC）拟合计算环氧复合电介质的陷阱特性；采用电声脉冲法（PEA）测试环氧复合电介质的空间电荷特性。结果表明：纳米MgO颗粒的添加可以提高环氧树脂的玻璃化转变温度，抑制环氧树脂内空间电荷积聚。随着纳米MgO掺杂率的增加，纳米MgO/EP复合电介质的玻璃化转变温度先上升后下降，深陷阱能级和密度均先增大后减小；空间电荷密度先下降后上升，电场畸变的变化趋势与空间电荷的变化趋势相似。当纳米MgO掺杂率为3%时，纳米MgO/EP复合电介质的玻璃化温度达到最大值，抑制空间电荷积聚和场强畸变的能力最好。     

硅烷偶联剂种类对纳米TiO2/间位芳纶复合绝缘纸电气性能的影响

为了进一步提高间位芳纶纸的绝缘性能，分别采用KH550、KH560、KH580、KH151硅烷偶联剂对纳米TiO₂进行处理，制得了纳米TiO₂/间位芳纶复合绝缘纸。主要研究了偶联剂种类对复合绝缘纸电气性能的影响，包括电气强度、体积电导率、电荷陷阱特性等，此外还探究了复合绝缘纸热学和力学性能的变化。对不同硅烷偶联剂接枝的TiO₂/间位芳纶界面进行了分子动力学模拟，从界面结合能和均方位移参数方面阐述了硅烷偶联剂对填料-基体界面的改善作用。结果表明：以电气绝缘性能为最主要的指标，硅烷偶联剂对复合绝缘纸改性效果从高到低依次为KH550、KH151、KH560、KH580；合适种类的硅烷偶联剂可有效改善纳米填料在基体中的分散性，提高复合绝缘纸的击穿电压和体积电阻率，并对芳纶纤维的耐温性和机械强度有一定的增强作用。     

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。     

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。     

陷阱对TiO2/LDPE纳米复合电介质直流击穿性能的影响

通过制作不同质量分数TiO_2/LDPE纳米复合试样,测试了所有试样的直流击穿性能,发现掺杂适量的纳米TiO_2可以有效地提高LDPE的击穿性能,最大可提高约33%。为了分析纳米掺杂对试样击穿性能的影响,通过DSC测试发现,纳米TiO_2掺杂并没有明显地改变试样的结晶度,即结晶度并非影响试样击穿的根本原因。为了进一步研究纳米掺杂对击穿特性的影响机制,在宽温度和频率范围内,测试了所有试样的介电响应谱。发现纳米掺杂在试样体内引入新陷阱,此陷阱位于粒子与基体间的相互作用区中,能级约为0.8 eV,与TiO_2粒子的含量无关。在此基础上,着重分析了新引入的陷阱与试样击穿性能间的关系。通过理论分析计算发现,新陷阱改变了试样体内载流子的平均自由程才是引起试样击穿性能各异的原因。     

功能化SiO2/UV-XLPE纳米复合材料的交流介电性能研究

针对纳米SiO₂材料在XLPE基体中容易团聚的问题,采用巯基-双键点击化学原理和纳米材料的表面改性技术,将纳米SiO₂引入到了紫外光交联聚乙烯的网状结构中,提高了纳米SiO₂在XLPE基体中的分散性。同时引入了更多的深陷阱,改变了功能化纳米SiO₂与XLPE基体之间的界面特性,从而提高了功能化SiO₂/UV-XLPE纳米复合材料的介电性能。对材料进行核磁共振氢谱、红外光谱以及扫描电镜等实验进行结构表征。在线性升温条件下测试材料在工频下的介电常数ε_r和损耗角正切值tanδ,探讨功能化纳米SiO₂的表面高介电壳层对纳米复合材料的变温介电特性的影响;通过TSC测试探究材料内部的陷阱能级分布情况,并在不同温度下测试了材料的交流击穿特性。随着温度的提高,复合材料内部杂质分子热运动加剧,使得相对介电常数ε_r随温度提高减小,而偶极子转向在介电损耗中的贡献逐渐增大,所以损耗角正切值tanδ呈现出变大的趋势。另外功能化纳米SiO<...     

基于氧化硅绝缘层改性的PMMA复合薄膜储能性能研究

聚合物电介质因具有击穿电压高、柔性好、成本低、加工容易和质量轻等优点而备受青睐,其在电气工程领域具有广泛的应用。该文以聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)作为基体,二氧化硅(SiO₂)作为绝缘层,综合利用溶液流延法和磁控溅射技术,成功制备了具有三明治结构的SiO₂/PMMA/SiO₂复合薄膜。在PMMA薄膜与金属电极之间引入宽禁带SiO₂薄层作为界面势垒层,能够抑制电极电荷注入,提升击穿强度;通过改变磁控溅射时间来调控SiO₂绝缘层生长厚度,系统研究SiO₂薄层厚度对复合薄膜的微观结构和介电性能的影响。研究表明,当磁控溅射工作时间为2h,SiO₂薄层厚度约为240nm,此时SiO₂/PMMA/SiO₂复合薄膜展现出优异的储能性能,最大放电能量密度为14.5J/cm~3,是纯PMMA薄膜的1.42倍,充放电效率为87.4%。     

纳米MgO/环氧树脂复合电介质的介电性能研究

将纳米Mg O颗粒与环氧树脂混合后制得不同掺杂量的纳米Mg O/EP复合电介质,采用SEM观察纳米Mg O在环氧树脂中的分散情况,采用DSC测试环氧复合电介质的玻璃化转变温度,并研究了纳米Mg O对环氧树脂介电性能的影响。结果表明:纳米Mg O颗粒在环氧基体中分散均匀,掺杂Mg O可以提高环氧树脂的玻璃化转变温度。随着纳米Mg O掺杂量的增加,介电常数先下降后上升,在掺杂量为1%时介电常数实部达到最小值,掺杂纳米Mg O使环氧树脂的中低频损耗明显降低;复合电介质的电导活化能和体积电阻率均随着纳米掺杂量的增加呈先上升后下降的趋势,在掺杂量为0.1%时电导活化能和体积电阻率达到最大;复合电介质的电气强度随着掺杂量的增加呈先上升后下降的趋势,当掺杂量为1%时电气强度达到最大值,相比纯环氧树脂提高了11.2%。     

不同粒径Al2O3颗粒掺杂的环氧树脂复合材料直流电树特性

为提升超导直流输电系统终端绝缘用环氧树脂的电气性能,制备质量分数1%,粒径分别为50nm、1μm和10μm的Al₂O₃环氧树脂复合材料。研究常温与液氮温度下复合材料在直流电压作用下的电树枝引发特性以及直流35kV电压下的电树枝生长过程及其局部放电特性。通过表面电位衰减测试,分析Al₂O₃环氧树脂复合材料的陷阱特性。结果表明：在常温和液氮温度下,微米、纳米Al₂O₃对环氧树脂中电树枝的引发和生长均有抑制作用,且Al₂O₃的粒径越小,其对电树枝的抑制效果越好。液氮温度对环氧树脂及其复合材料中电树枝的形态有明显作用,液氮低温可以显著抑制材料中电树枝的生长速度,但存在低温导致绝缘材料开裂而击穿的现象。最后,根据表面电位衰减曲线计算复合材料的陷阱特性,陷阱特性分析表明,微/纳米Al₂O₃的填充会改变材料内部陷阱的密度和能级,从而改变材料的介电性能。     

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.     

纳米TiO2改性纤维素纸板在油流环境下的带电特性研究

经纳米TiO₂改性纤维素纸板可以增强其击穿场强与抗老化性能,是当前电气绝缘领域研究的热点。纸板中添加纳米粒子对于变压器油流带电影响仍不明确;因此,为了揭示纳米粒子对油流带电影响与抑制机理,需测量与分析纳米改性纸板中的油流带电特性。文中以TiO₂改性纸板与未改性矿物油为研究对象,通过旋转圆盘系统测量其摩擦产生的静电电流。根据控制变量法研究了温度、纳米粒子质量分数和流速等因素对带电程度的影响,分析了纳米粒子对于油流带电影响机理;采用有限元分析方法分析了变压器油道仿真模型,对比了不同质量分数下的纳米TiO₂改性纸板制作的油道模型内部电场分布情况。研究结果表明：与未改性纸板相比,纤维素基体中添加质量分数为1%的纳米TiO₂粒子可以抑制油流带电程度,使得油道内部积累电荷后的电场分布畸变程度最小。研究结果可以为抑制变压器中的油流带电提供新方法。     

无机纳米/聚酰亚胺复合杂化膜的绝缘特性研究

将无机纳米粒子(TiO2)分散在聚酰胺酸(PAA)前躯体中,经过原位聚合的方法制备出纳米TiO2粒子分散均匀的聚酰亚胺/纳米TiO2复合杂化膜,研究了不同掺杂含量对杂化膜的介电、物理等特性的影响,建立了耐电晕模型。同时通过FTIR研究其亚胺化程度以及用SEM分析纳米粒子在聚酰亚胺基体中的分散状态。结果表明,纳米粒子在PI基体中分散均匀,TiO2的引入对杂化膜的介电常数、介质损耗因数、电气强度和耐电晕性能产生了很大的影响,随着TiO2含量的增加,耐电晕性能得到大幅度的提高,TiO225%含量时介电常数为5.1左右,介质损耗因数在0.03以下,电气强度为110 MV/m,并在实验的基础上初步建立了耐电晕性能的老化机理。因此,在高耐热性绝缘材料中均匀分散一些纳米无机粒子,可以大幅度提高抗高频脉冲尖峰电压和耐电晕等方面的性能。     

羰基铁/SiO2磁性核壳复合粒子研究

采用溶胶-凝胶方法制备了羰基铁/SiO2核壳复合粒子。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、红外测试分析仪(FTIR)、振动样品磁强计(VSM)、热重分析仪(TG-DTA)等对材料形貌、微观结构、分子结构与性能进行表征,并分析了羰基铁粉表面包覆机理。实验结果表明,羰基铁粒子表面被均匀地包覆非晶态SiO2纳米壳层。包覆后的核壳复合粒子仍具有很好的超顺磁性能,适当控制壳层的厚度可以提高超顺磁性能,同时抗氧化性能也明显提高。