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。     

聚丙烯/BN复合介质高频击穿性能提升与电荷输运仿真研究

机械式高压直流断路器LC振荡支路的换流电容在开断过程中发挥重要作用,其承受数千赫兹的高频电压会对电容器聚丙烯绝缘介质造成损伤。为提升其高频击穿场强,分别制备掺杂质量分数为1%、2%和6%的聚丙烯/氮化硼复合介质,测试极化、热刺激去极化电发流、表面电位衰减和高频(500、2 000 Hz)击穿特性。实验结果表明:复合介质的高频击穿场强相较于纯聚丙烯均增加,在质量分数为1%时达到最大,这对应于在质量分数为1%时较深的陷阱能级。基于双极性电荷输运方程和空间电荷调制击穿模型,仿真分析了高频电压作用时的空间电荷和电场动态演变过程,包括随电压频率、陷阱能级和加压时间的空间电荷注入和电场畸变率动态变化。仿真结果表明,高频下的电荷注入集中于电极–介质边界处距离介质表层数微米的区域;在较高频率时的电极–介质边界处的注入电荷密度和电场畸变更明显;具有较深陷阱的复合介质的电极–介质边界处的电场畸变得到改善;交变电场下在90°和270°相位时的净累积电荷最多,此时的电场畸变率最大。     

芳纶纳米纤维/钛酸钡纳米纤维复合电介质薄膜制备与介电性能研究

选用芳纶纳米纤维（ANF）作为耐高温基体,并填充钛酸钡纳米纤维（BTNF）制备ANF/BTNF纸基复合薄膜,研究不同BTNF填充量对复合薄膜介电性能的影响。结果表明：ANF/BTNF复合薄膜的厚度约为10μm。当BTNF质量分数为0～20%时,随着BTNF填充量的增加,复合薄膜的介电常数和电气强度均提升。当BTNF的质量分数增大到40%时,复合薄膜的介电常数显著提升,但是在高频区快速降低,介质损耗因数显著增大,同时复合薄膜的电气强度略微下降。因此,BTNF质量分数为20%的ANF/20BTNF复合薄膜综合介电性能最佳,在1 kHz时介电常数达到4.78,电气强度为8.90 kV/mm。     

含有氮化硼势垒层的三明治结构聚合物基复合介质储能特性研究

聚合物基高温储能介质因其较高的功率密度及优异的充放电效率被广泛应用在电气和电子等领域。该文选用不同粒径的氮化硼纳米片(BNNSs)作为填料，掺杂到聚醚酰亚胺(PEI)中构建势垒层，添加在纯PEI两侧制备拥有三明治结构的复合薄膜，探究粒径大小在不同温度/填充体积分数下对复合薄膜的介电性能及储能性能的影响。研究发现，构建BNNSs势垒层的三明治结构复合薄膜显著抑制了介质的高温电导，提高了充放电效率，且较小粒径BNNSs填充势垒层能更有效地提高击穿场强和储能密度，其中掺杂200 nm粒径BNNSs体积分数为5%的复合薄膜在常温下的储能密度可达5.65J/cm³，充放电效率高达96%，即使在150℃下，储能密度和充放电效率也可分别达到2.52 J/cm³和95%。通过随机击穿模型阐明了粒径大小及三明治势垒层结构对击穿性能的提升机制。该文提出的含有势垒层的三明治复合结构为高温下复合薄膜储能特性优化提供了新的策略。     

表面改性聚丙烯薄膜的制备与介电/储能特性研究

为了提高聚丙烯薄膜的电容量和能量密度,采用高介电常数纳米颗粒与丙烯酸酯类粘结剂的混合浆料对聚丙烯薄膜进行表面改性,与改性前聚丙烯薄膜的性能作对比分析,探讨了基膜拉伸工艺、表面改性温度、高介电纳米颗粒尺寸3个因素对改性聚丙烯薄膜性能的影响。结果表明：改性后,1 kHz下聚丙烯薄膜的介电常数从2.20增大到2.89,500 kV/mm电场下储能密度从2.56 J/cm³增加到3.29 J/cm³,提升了28.5%。同时,改性后的聚丙烯薄膜在20～120℃区间内保持着稳定的介电性能,其1 kHz下的介电常数变化幅度小于6.9%。本研究采用简单易行的溶液法对聚丙烯薄膜进行改性,具备规模化制备的可行性,对实现高储能密度电介质材料的规模化制备具有一定的参考价值。     

接枝聚丙烯电容薄膜的高温储能特性

随着海上风电、电动汽车和油气勘探的迅速发展,对薄膜电容器的工作温度提出更高的要求。然而,当环境温度达到120℃时,目前使用最为广泛的双向拉伸聚丙烯电容薄膜充放电效率急剧下降,不能满足应用需求。该文制备了苯乙烯接枝聚丙烯(PP-g-St)双向拉伸电介质薄膜,在120℃下,PP-g-St可以将能量密度从0.23 J/cm³提高到1.67 J/cm³(储能效率在90%以上),同时接枝后击穿场强大幅提升,高温泄漏电流得到有效抑制,这源自于接枝后引入的深陷阱限制了载流子的输运。接枝样品中的自聚相经拉伸后与基体具有良好的相容性。该文研究为适用于高温高场条件的聚丙烯基电容器薄膜材料的大规模制备提供可能。     

核壳结构纳米纤维掺杂PMMA/PVDF基复合介质的储能特性研究

为探索核壳结构纳米纤维对聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)/聚偏氟乙烯(polyvinyl-lidene fluoride,PVDF)基复合介质储能特性的影响规律.该研究采用静电纺丝技术制备了高长径比的掺锰钛酸锶纳米纤维(Mn-ST NFs),并对纤维表面进行二氧化硅(SiO2...     

本体聚合PMMA基复合介质膜的储能特性研究

目前有机薄膜电容器中的介质材料多为线性电介质,这类聚合物的介电常数通常较低,造成电容器储能密度普遍偏低,而新型高储能聚合物介质材料一般又存在介质损耗高的问题。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与高储能含氟聚合物的相容性较好,常被用来改善后者的力学和击穿性能,但市售的PMMA存在本征介质损耗过高的问题。为了降低PMMA的介质损耗,本文用甲基丙烯酸甲酯(MMA)与苯乙烯(St)合成MMA-St共聚物(MS),将不同比例的MS掺入本体聚合的PMMA中形成复合体系,并研究复合体系的介电特性、储能特性及绝缘特性。结果表明：该复合体系可以显著降低PMMA的介质损耗,相较于PMMA更适合作为高储能聚合物的改性材料。其中复合10%MS的介质膜在5 500 kV/cm电场下获得了5 J/cm³的放电能量密度,充放电效率达到83%。     

聚丙烯/有机蒙脱土纳米复合材的制备及性能研究

本文采用熔体插层法在双螺杆挤出机中制备了PP／OMMT纳米复合材料，讨论了有机化改性、相容剂以及辐照、接枝处理等因素对纳米复合材料性能的影响。用各种手段（SEM、TEM、DSC和XRD）对所制得的复合材料的形态结构进行表征。研究结果表明：对MMT进行有机化改性、加入适当的相容剂以及进行辐照、接枝处理的确能使复合材料的力学性能有所提高。形态结构表征证明：PP基体与纳米填料间的相容性增加，两者间的界面相互作用得到了加强；OMMT片层在PP基体中达到纳米级的分散。     

嵌入式电容用钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜的制备及性能研究

对钛酸钡(BT)纳米粒子进行了表面改性,采用原位聚合法将钛酸钡与聚酰亚胺复合制备了高介电BT/PI复合薄膜,为了进一步提高介电性能,将第三组分炭黑掺入其中,并对其进行了红外光谱、扫描电镜(SEM)分析和介电性能测试。结果表明:与未改性的复合薄膜相比,改性后纳米粒子在基体中分散更加均匀,复合薄膜的介电性能明显提高,可用于制备嵌入式电容中的电介质材料。     

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。     

纳米SiO_2/LDPE复合介质的有限元数值仿真

纳米尺度下的界面结构是纳米复合材料的一个重要结构特征。建立了包含纳米颗粒、聚乙烯基质和界面层三相结构的复合介质仿真模型,在三维空间下对不同填充浓度的纳米SiO2/LDPE复合介质的极化电流和去极化电流进行了有限元仿真计算。为了验证这种三相模型的准确性,将仿真结果与实验结果进行了对比。结果表明,仿真电流和实验电流的整体变化趋势是一致的,尤其是在填充浓度比较低的情况下(小于1%wt),电流的起始幅值和随浓度变化的规律都和实验结果比较一致。但是仿真电流的衰减速率普遍比实验结果要小,尤其是当填充浓度比较大时(大于2%wt),两者相差较大。因此用这种三相模型来进行纳米复合介质的仿真计算是可行的,但是还需要进一步的完善。     

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。     

聚酰亚胺/纳米二氧化硅复合薄膜的结构和电学性能研究

在聚酰胺酸的二甲基乙酰胺溶液中,采用甲基三乙氧基硅烷为前驱体,水解原位产生二氧化硅纳米粒子的溶胶一凝胶工艺,制备了聚酰亚胺／纳米二氧化硅复合薄膜。采用红外光谱对薄膜进行了表征,并对薄膜的介电常数、介质损耗和体积电阻率随二氧化硅含量变化进行了分析和讨论。结果表明,二氧化硅的含量在10-15％之间,介电常数、介质损耗和体积电阻率达到最大值并与纯聚酰亚胺薄膜的性能提高;二氧化硅含量进一步增加性能下降并比纯聚酰亚胺薄膜的性能有所下降,加入偶联剂能在适当提高二氧化硅含量下提高薄膜的性能。     

高频下纳米二氧化硅 /环氧树脂复合材料的介电特性研究

采用溶剂一超声波法较好的实现了纳米SiO2的分散,用透射电子显微镜(TEM)观测了纳米SiO2在丙酮中的分散状态。制备了纳米SiO2／环氧树脂复合材料,研究了电场频率与复合材料介电常数和介质损耗的关系。结果表明：纳米SiO2/环氧复合材料的介电常数随电场频率的升高而逐渐降低,随纳米SiO2含量的增加而增大;复合材料的介质损耗随着频率的增高而增加,在高频区变化缓慢。     

纳米改性聚丙烯复合绝缘材料性能研究Ⅰ——在交流电场下的击穿特性

聚丙烯作为一种复合绝缘材料目前已广泛应用于射频电容器及电力电缆等设备中。聚丙烯混合天然纳米黏土颗粒后可作为一种纳米复合绝缘材料应用于实际工程中。本文旨在通过实验及理论的研究获取该复合绝缘材料的电气性能,为其应用提供技术支持。首先搭建了一套用于测试材料电气击穿特性的综合实验平台,接着分别在2种不同的加压方式下测量得到了混合不同重量比例(0%、2%和6%)纳米黏土颗粒的聚丙烯绝缘薄膜的电流密度及击穿场强值。研究结果表明:1)混合纳米颗粒的聚丙烯其击穿场强要明显高于未经纳米黏土添加的试品;2)复合绝缘材料电流密度与电场强度之间呈现非线性的函数关系,并有饱和趋势。随着电场强度的增加,复合绝缘材料的相对介电常数也发生着变化。在本文的实验样品范围内,纳米黏土颗粒的添加比重为2%时对于材料电气性能的提升较为明显。本文的研究成果可为聚丙烯复合绝缘材料的应用提供参考。     

高温聚丙烯膜电力电子电容器的研究

从采用新型耐高温聚丙烯材料入手，通过严格的工艺控制，开发了耐高温(105℃)的聚丙烯膜电力电子电容器，扩展了聚丙烯膜电力电子电容器的应用范围。     

固化剂中脂环胺与聚醚胺比例对环氧薄膜储能性能的影响

固化剂作为连接环氧树脂分子链的纽带,其分子结构会影响环氧树脂的各项性能.本文通过调控固化剂中脂环胺与聚醚胺的比例,综合探究了固化剂分子结构对环氧薄膜热学性能、极化特性、电荷输运特性及储能性能的影响规律.结果表明:随着固化剂中刚性脂环胺比例的增加,环氧树脂的热稳定性显著增强,介质损耗降低,这主要是因为刚性基团的增加能有效限制分子链段的转向过程和载流子迁移过程.同时,随着脂环胺比例的增大,环氧薄膜的电气强度及充放电效率先提升后下降,其中F51/AP1.6的电气强度、储能密度与充放电效率最高,这与其较为稳定的分子结构、较低的介质损耗以及极高的深陷阱密度有关.