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。     

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。     

聚酰亚胺纳米复合薄膜耐电晕机理研究

聚酰亚胺(Polyimide,PI)因其具有良好的热稳定性和优异的耐电晕特性广泛应用于变频电机中,添加纳米粒子可以有效提高PI薄膜的绝缘性能。为了系统的研究PI纳米复合薄膜的耐电晕机理,利用原位聚合法制备了纯PI膜和纳米Al2O3掺杂的PI膜,测试两种薄膜的表面电导率、体积电导率、热失重(TGA)以及高频方波脉冲下的耐电晕时间,并用SEM观测两种薄膜击穿后的表面形貌。结果表明:添加纳米粒子使PI薄膜的电导率、热分解温度和耐电晕时间增加;电晕放电的侵蚀使得两种薄膜表面都出现微孔和沟壑,PI/Al2O3薄膜表面析出纳米粒子;在电晕侵蚀过程中,纳米PI薄膜强的表面电荷扩散能力和高的热稳定性,加上析出的纳米粒子对电子和光子的屏蔽阻挡作用,是PI薄膜耐电晕性能增强的主要原因。     

温湿度对掺杂纳米氧化铝的聚酰亚胺薄膜耐电晕性能影响研究

为了探究温度和湿度对掺杂纳米氧化铝的聚酰亚胺(PI)薄膜耐电晕性能的影响,文中通过原位聚合法制备了氧化铝粒径为20 nm的聚酰亚胺/氧化铝(PI/Al2O3)复合薄膜,在高频方波脉冲下进行纯膜和纳米膜的耐电晕实验,运用扫描电镜对电晕老化前后的薄膜形貌进行分析。实验结果表明:同一电压下,纳米膜耐电晕性能优于纯膜,纳米粒子可改变电荷传输通道,并浮于聚合物表层阻挡进一步侵蚀。随着温度升高,聚合物降解产生的气体分布在基体中,易造成电场畸变而加剧侵蚀,导致薄膜寿命缩短;且纳米膜热导率高于纯膜,故高温环境中耐电晕性能较好。随着相对湿度增大,纳米膜耐电晕寿命先增大后减小,主要是因为相对湿度较低时,水分可在纳米粒子周围形成"水壳",增大了纳米粒子间重叠区域,增加了电荷消散传输通道;而相对湿度较高时,聚酰亚胺分子水解产生大量离子基团及小分子,造成电场畸变加剧电晕侵蚀作用更大。     

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。     

方波脉冲下聚酰亚胺/纳米复合薄膜耐电晕特性研究

本文为探究在方波脉冲下聚酰亚胺(polyimide,PI)/纳米复合薄膜的耐电晕特性,采用原位聚合法制备了纯膜和掺杂纳米氧化铝的复合薄膜,通过傅里叶红外光谱(FTIR)技术分析了薄膜的化学结构,测量了纯膜和纳米膜的表面电阻率,并在重复方波脉冲下进行耐电晕实验,最后运用扫描电子显微镜(SEM)分析电晕击穿前后薄膜的微观形态。实验结果表明:纯膜和纳米膜的耐电晕时间都会随着电压的升高而降低,并且在同一电压下,纳米膜的耐电晕特性优于纯膜。通过测试分析,从纳米粒子和聚合物基体间形成的界面、薄膜表面电荷分布、薄膜试样击穿过程3个方面对纳米薄膜优异的耐电晕特性给出了解释。     

耐电晕PI/无机纳米氧化物复合薄膜设计及性能

采用热液法制备了纳米无机氧化物分散液,其中水解所需的水由醇缩水成醚反应提供.所得的MTES改性的纳米氧化铝与聚酰亚胺复合制成杂化聚酰亚胺复合薄膜(PI/Al2O3 - SiO2),另外还制备了未改性的纳米氧化铝杂化聚酰亚胺复合薄膜(PI/Al2O3),在试样厚度均为25 μm的情况下,采用双极性脉冲方波电压、峰-峰值2500V、频率20 kHz、占空比50％、测试温度155℃的条件下,分别测试上述两种薄膜以及Kapton 100 CR薄膜的耐电晕时间,结果表明,PI/Al2O3 - SiO2薄膜的耐电晕寿命最长,是Kapton 100 CR薄膜的6倍以上,是PI/Al2O3薄膜的12倍以上.由SEM的测试结果分析表明,PI/Al2O3 - SiO2薄膜中的无机纳米复合结构可以更有效地保护PI基体,从而提高材料的耐电晕性.     

聚合物纳米复合材料耐电晕机理的研究进展

叙述了耐电晕聚合物纳米复合材料的研究进展,分析了绝缘材料的耐电晕机理,为开发新型耐电晕聚合物纳米复合材料奠定了基础.虽然国内学者对其合成、结构、性能及耐电晕机理等问题进行了研究,并取得了一定的进展,但尚未获得关键性突破.即生产耐电晕绝缘材料的关键技术有待提高.     

等离子体改性纳米粒子对聚酰亚胺复合薄膜耐电晕性能的影响

为提高聚酰亚胺纳米复合薄膜的耐电晕性能,利用大气压空气等离子体和硅烷偶联剂对纳米粒子表面进行改性,通过原位聚合法制备聚酰亚胺纳米复合薄膜,利用傅里叶红外光谱(FTIR)分析等离子体处理对纳米粒子表面化学键的影响,利用扫描电镜(SEM)分析了纳米粒子在薄膜中的分散特性,测试了聚酰亚胺纳米复合薄膜的介电频率谱和耐电晕时间。研究结果表明:纳米粒子经过等离子体处理后,通过氢键在其表面吸附大量的硅烷偶联剂,薄膜内团聚体颗粒大小下降了约60%;复合薄膜的介电常数有所下降,但电导损耗有所增加,纳米复合薄膜耐电晕寿命提高了28.12%。研究发现,等离子体改性纳米粒子后,增强了纳米粒子和聚合物基体的相互作用,提高了界面的耐电晕能力,同时增加了薄膜内界面体积分数,使界面区域介电双层结构发生重叠,提高了薄膜的电导率,促进薄膜内部电荷的消散,从而提高了薄膜的耐电晕寿命。     

高储能聚合物基纳米复合电介质

作为电容储能器件的核心材料,高储能电介质在智能电网和高能武器等先进装备领域具有重要的实用价值。为提高聚合物电介质材料的储能密度,多采用复合技术制备聚合物基纳米复合电介质。首先介绍了现有聚合物基复合体系的基本理论及结构模型,并着重从介电常数、击穿场强和介电损耗3个关键技术指标入手总结了近年来取得的相关研究成果。最后,在此基础上对聚合物基纳米复合电介质材料目前存在的科学问题进行了探讨和展望。     

纳米锆-铝复合氧化物杂化聚酰亚胺耐电晕薄膜的研究

采用微乳化-热液法制备了一系列经自制偶联剂处理的纳米锆-铝复合氧化物分散液,采用原位聚合法制备了纳米锆-铝复合氧化物杂化聚酰亚胺复合薄膜,对纳米分散液及复合薄膜的掺杂层进行透射电镜测试,并对复合薄膜的高温耐电晕性能、电气强度、力学性能进行测试及分析。结果表明:分散液中纳米粒子的尺寸达到纳米级,纳米锆-铝复合氧化物杂化PI薄膜的耐电晕性能大幅提高;在固定无机物掺杂量为22%,Zr与Al的物质的量之比为1.2∶9时,PI薄膜的耐电晕寿命达到10.35 h,电气强度达到274.91 MV/m,拉伸强度为146.4 MPa,断裂伸长率为43.0%。     

纳米二氧化硅/聚酰亚胺耐电晕薄膜的研究

通过超声机械混合方法制备纳米二氧化硅／聚酰亚胺复合耐电晕薄膜，并对其耐电晕性进行测量。用红外光谱(IR)和原子力显微镜(AFM)观察无机纳米粒子的分散情况及其电晕前后变化。结果表明：纳米二氧化硅／聚酰亚胺复合薄膜耐电晕性比普通的聚酰亚胺薄膜高。     

聚合物纳米复合电介质的界面性能研究进展

聚合物纳米电介质以其优异的性能而受到广泛关注,其中聚合物基体与纳米粒子间的界面作用机理成为研究热点。为此,综合国内外研究成果,论述了聚合物纳米电介质中界面区域的重要性,并从界面化学结构、物理结构模型、机械（力学）性能、热力学性能等方面强调了界面区域在电气绝缘性能中的作用机理。界面是纳米填充物与聚合基体之间的纳米级过渡区域,由于其独特的形成机理,其具有与聚合物基体和纳米填充物不一致的理化性质。界面在复合材料中占有主导地位,其微观结构及性能将直接影响复合材料的宏观性能。     

Fe掺杂纳米复合Ag-SnO2电接触材料耐电压性能

利用化学共沉淀和常压烧结等方法制备出纳米复合Ag-SnO2和Fe掺杂Ag-SnO2触头合金,对合金触头进行了耐电压实验和SEM形貌观察.实验结果发现制备的触头合金呈现纳米第二相弥散均匀分布在Ag基体中.纳米复合电接触材料耐电压强度分布比商业用AgSnO2In2O3集中,但平均耐电压强度比商用低9.8%～29.7%.放电后,纳米复合电接触材料表面蚀坑凸凹起伏程度小,烧蚀轻微.     

直流击穿电压与电晕形态的关系

在确定直流绝缘距离时,常以正极性击穿电压为依据。而正极性直流击穿电压与正电晕的形态有着密切的关系,曾引起不少研究者的兴趣。但是,以往的研究者多数注意了间隙长度的影响,对于相同间隙长度下出现不同电晕形态的条件和原因研究得极少,而将直流电晕形态与击穿过程联系起来进行观测的,尚未见有人报告过。     

纳米氧化铝改性无溶剂绝缘漆耐电晕性能的研究

为了改进一种聚酯亚胺无溶剂绝缘浸渍漆的耐电晕性能,加入自制的纳米氧化铝改性。对漆膜的介质损耗tanδ测试表明,随着纳米氧化铝含量的增加,漆膜的介质损耗逐渐升高;用自制的耐电晕测试设备对改性漆膜的耐电晕时间进行测试表明,改性后漆膜耐电晕时间明显提高;通过扫描电镜观察表明,纳米氧化铝粒子很均匀的分散于绝缘漆中;但纳米氧化铝对漆的粘度和漆膜的韧性有一些不利影响。     

高介电常数的聚合物基纳米复合电介质材料

高介电常数的聚合物基电介质材料无论是在电力工程,还是在微电子行业都具有十分重要的作用。研究中主要以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,以纳米和微米尺度的高介电常数的铁电陶瓷钛酸钡(BT)的前驱体粉末为功能添加组分,采用特殊的工艺制备了高介电常数的聚合物基纳米功能电介质复合材料。研究了制备工艺、添加物含量、以及微米/纳米BT的体积比等因素对复合电介质材料介电性能的影响。发现在无水乙醇中,通过纳米BT与PVDF颗粒之间强烈的吸附作用以及热模压工艺,可以制备高度分散性的BT/PVDF纳米复合材料。同时通过合理的组合微米/纳米BT的体积比,在BT同样的体积含量时,微米/纳米BT的共混物对复合材料介电性能的提高有明显协同效应。利用该效应可以制备介电常数高的聚合物基电介质材料。     

聚酰亚胺/氧化铝复合薄膜耐电晕性能研究

采用逐层流延铺膜及热亚胺化法制备了掺杂层纳米氧化铝含量不同的聚酰亚胺/氧化铝(PI/Al_2O_3)三层复合薄膜。通过透射电子显微镜、X射线衍射仪对复合薄膜进行表征,并对复合薄膜的力学性能、热稳定性及耐电晕性能进行测试。结果表明:复合薄膜具有明显的三层结构,掺杂层中纳米Al_2O_3颗粒分散均匀,纳米Al_2O_3的加入会降低PI基体的排列有序度。加入纳米Al_2O_3颗粒后PI/Al_2O_3三层复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率降低,热稳定性和耐电晕性能提高。当掺杂层无机含量为16%时,PI/Al_2O_3三层复合薄膜的耐电晕时间比纯PI薄膜提高了48倍。     

耐电晕涂层厚度对漆包线耐电晕性能的影响

为了确定耐电晕漆膜厚度对漆包线漆性能的影响,研究了耐电晕漆包线漆组分一定,涂漆方案不同的耐电晕漆包线附着力和耐电晕性能。结果表明:对于1.25 mm三涂层2级漆膜厚度的漆包线而言,底漆厚度0.02 mm、耐电晕漆厚度在0.05 mm以上时,漆包线的综合性能可达到国家标准。     

纳米石墨烯掺杂浓度对XLPE击穿性能的影响

制备了分散性良好的6种不同配比XLPE/纳米石墨烯聚合物,运用差式扫描量热法排除了结晶度对击穿性能的影响;对试样进行了工频击穿强度测量并通过拉伸强度测试评估了机械性能。实验表明,掺杂纳米石墨烯能使聚合物的工频击穿强度最大提高27. 66%,拉伸强度最大提高10. 64%,在工业实现上有积极意义。通过等温去极化电流计算聚合物陷阱密度及能级,并结合动态热机械分析从界面分子结合力探究不同含量石墨烯影响击穿性能的机理。研究表明掺杂少于0. 01 wt%的纳米石墨烯能增大陷阱能级,同时增大聚乙烯基体分子间作用力,进而提升聚合物击穿性能。