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。     

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。     

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。     

环氧树脂纳米复合电介质制备方法及其绝缘性能的研究进展

环氧树脂或树脂浸渍纤维板是电力设备中重要的绝缘材料,过去通过掺杂微米级的无机氧化物填料以提高材料的机械性能。近年,开始使用纳米颗粒掺杂环氧树脂,对于提高材料的绝缘性能,特别是对提高击穿场强、耐电晕性、耐电痕化、导热性、耐低温性、耐辐射性和耐候性等方面具有重要意义。文中以纳米复合电介质的绝缘性能为出发点,概述了纳米复合电介质的常用制备方法,给出了环氧树脂纳米复合电介质的制备流程,总结分析了环氧树脂纳米复合电介质的介电性、局部放电腐蚀、绝缘击穿强度及机械性能。综述了环氧树脂纳米复合电介质在电机绝缘系统中的应用和最新研究进展,为环氧树脂纳米复合电介质在电机主绝缘中的应用提供了思路。     

XLPE/OMMT纳米复合电介质力学性能和水树枝特性研究

为了研究交联行为对纳米复合电介质力学性能和水树枝特性的影响,采用熔融共混的方法分别制备了聚乙烯/蒙脱土(PE/OMMT)和交联聚乙烯/蒙脱土(XLPE/OMMT)两种纳米复合材料,并对其拉伸性能、动态力学性能和水树枝老化特性进行测试.结果表明:有机化蒙脱土(OMMT)加入到XLPE中起到物理交联点和应力分散的作用,使纳米复合材料的拉伸强度增大、韧性增强.均匀分散的OMMT片层阻热和物理支撑的双重作用提高了纳米复合材料高温区的储能模量.纳米复合材料的水树枝引发时间较短,OMMT片层有利于缓冲水分子的伸缩变形对分子链的冲击,水树枝生长长度较小.而交联后形成的三维网状结构使纳米复合材料承受形变的能力增强,具有更优的抗水树枝性能.     

基于非线性声学的纳米复合电介质分散性整体无损评估方法

纳米填料的分散性是影响纳米复合电介质性能的关键因素,当前尚无一种无损检测方法可以实现分散性的整体定量检测.该文从非线性声学原理出发,建立2种分散状态下纳米颗粒的力学和非线性声学模型,推导出非线性系数与平均粒径的正相关关系.制备不同分散程度的试验样品,通过微观与宏观2种方法表征样品的分散性.然后,测试试样的非线性系数,并...     

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。     

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。     

微、纳米无机颗粒/环氧树脂复合材料击穿强度性能

为研究微、纳米无机颗粒对环氧树脂击穿强度的影响,制备出了不同含量微、纳米氧化铝,纳米氧化硅/环氧树脂复合材料。通过采用球球电极对试样进行了交流击穿实验,通过实验发现适量的纳米氧化铝颗粒的添加增强了环氧树脂的击穿强度,而微米氧化铝颗粒降低了环氧树脂的击穿强度。通过比较亲水性和疏水性纳米氧化硅颗粒对环氧树脂击穿强度的影响发现,随着亲水性纳米氧化硅颗粒含量的增加,纳米复合材料击穿强度随含量增加而增大,而相同含量的疏水性纳米氧化硅/环氧树脂复合材料的击穿强度低于纯环氧树脂。     

合金材料在真空中的电击穿行为

测试了纯铜、铬青铜及４０Ｃｒ铁基合金在真空间隙中的耐电压强度,研究了合金元素及显微组织对合金材料电击穿行为的影响。认为对于合金材料不能根据材料硬度作为评价电极间隙耐电压强度的标准,而应该考虑成分、组织状态、材料缺陷等一系列显微组织参数的综合作用。     

ns脉冲液体介质击穿实验研究综评

介绍了目前液体介质击穿研究的实验内容(电压极性、电压波形、外界静态压力等)、实验方法(电学与光学结合)、研究成果(经验公式、击穿机理);指出单次ns脉冲击穿的电压脉宽窄(ns级)、击穿电压幅值高,重频ns脉冲电压击穿下液体介质的电场累积效应(极化效应)显著,这些ns级液体介质击穿的特点有助于揭示液体介质击穿的本质特性。结合研究成果讨论了窄脉冲电压液体介质击穿的概率与击穿机理。     

PE/MMT纳米复合材料的电击穿与耐局放性能

为了研究具有优异热、力学性能的聚合物/层状硅酸盐(PLS)纳米复合物的介电性能,采用熔融插层法制备了低密度聚乙烯/蒙脱土(LDPE/O-MMT)纳米复合材料,试验研究了它的击穿性能和耐局部放电性能,并对击穿场强进行了威布尔(Weibull)分析。对比试验表明:加入相容剂的纳米复合材料的击穿强度明显高于纯聚乙烯,尤其是在试验温度为60~90°C的范围内,前者的击穿场强为后者的1.35~1.70倍;在相同测试条件下,纳米复合材料的放电量和放电次数都小于纯聚乙烯。通过对比试验研究证明:纳米蒙脱土改性聚乙烯具有更高的介电强度和更好的耐局放性能。     

液体介质击穿机理研究进展

在参阅大量文献的基础上,给出当前液体介质击穿理论的最新进展及成果:电子理论、气泡理论、小桥理论,并且比较分析不同理论的优缺点,指出纳秒脉冲液体击穿机理研究的独特性,供该领域的研究者借鉴。     

交联聚乙烯交联度对材料击穿强度的影响

为了研究XLPE材料交联度对其电气性能的影响,制备不同交联度的XLPE样本并对其进行电气击穿实验,分析在不同的交联度区间范围内样本击穿场强变化。利用温度-时间控制法制备六组不同交联度的XLPE样本;利用差式扫描量热仪测量得到样本结晶度;利用交流变压器测量得到样本的击穿强度。实验结果表明,随着交联度上升,样本击穿场强呈先上升后下降趋势。在交联度为0%～75%区间范围内,样本击穿场强增加2%。在交联度为75%～88%范围内,样本击穿场强增加21.2%。而在交联度为88%～92%范围内,样本击穿场强下降5.3%。分析认为,样本的击穿强度与样本交联度和材料均匀程度有关。当交联度较低时,样本的击穿强度主要由样本交联度决定,随着交联度上升,样本击穿强度增加。但由于此时局部材料结构较为不均匀,因此击穿强度增加幅度不大。而当交联度上升至75%时,材料形成较为密集、均匀的三维网状结构,导致样本击穿场强大幅上升。而当交联度继续增加时,此时样本结晶度下降幅度较大,局部材料结构变得不均匀,导致样本击穿强度下降。     

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.     

强电负性气体特征值与临界击穿场强的研究

讨论了强电负性气体及混合气体的临界击穿场强和特征值的变化规律。对于所研究的气体,当临界击穿场强较高时,其特征值必然较低;而临界击穿场强较低时,其特征值必然较高。特征值越低的气体和混合气体对电场不均匀性越敏感;反之,特征值高的气体和混合气体对电场不均匀性越不敏感。     

绝缘介质介电频谱测量方法的研究

绝缘介质的介电频谱是绝缘聚合物研究中非常重要的参数。由于测量原理、测量方法和测量技术的不同,对相同材料的实际测量结果常常有偏差,这给绝缘聚合物的研究带来许多困难。为了得到一个准确的测量结果,利用Agilent 16451B电极夹具配合Agilent 4294A精密阻抗分析仪,采用接触法和非接触法分别对线性低密度聚乙烯(LLDPE)、有机玻璃(PMMA)和聚酰亚胺(PI)薄膜进行介电频谱测试。实验结果表明,非接触法是测量绝缘介质介电频谱较合适的方法,可以获得一个准确的结果。对于工频下的电桥测量,采用专门设计的柔性联接精密接触电极也能得到精确的测量结果。     

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.