CB/LDPE纳米复合材料的空间电荷抑制特性

采用熔融共混法制备了纯低密度聚乙烯(LDPE)试样和纳米炭黑(CB)颗粒质量分数分别为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%的CB/LDPE复合试样。采用扫描电子显微镜观察纳米CB颗粒在LDPE基体中的分散性,并利用电声脉冲法(PEA)测试各试样在常温和-40 kV/mm条件下的空间电荷积聚特性和陷阱特性,讨论纳米CB颗粒提升LDPE基体空间电荷抑制特性的机制。结果表明:相较于纯LDPE试样,CB/LDPE复合试样的空间电荷积聚特性得到了显著改善,其中CB质量分数为0.03%的CB/LDPE复合试样具有最佳的空间电荷抑制效果。纳米CB颗粒提高了复合试样内部的深陷阱密度,这是提高复合试样空间电荷抑制能力的关键。     

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。     

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。     

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。     

炭黑/交联聚乙烯纳米复合材料的空间电荷和电导特性

为研究添加炭黑(CB)对交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料直流介电性能的影响,通过熔融共混制备了CB/XLPE纳米复合材料,在不同的恒定温度下分别测试了各试样的电导率与外施直流电场强度的关系,并利用电声脉冲法测量了各试样内的空间电荷分布状况。研究结果表明,添加少量炭黑即可使XLPE中的空间电荷量明显减少,当炭黑掺量为1 phr(指每100 g XLPE中添加1 g CB)时,复合材料抑制空间电荷的能力较强;XLPE在较低电场强度下就表现出电导非线性特性,且电导率受温度影响较大,最大变化量超过3个数量级;而CB/XLPE纳米复合材料在小于20 kV/mm的电场强度下电导率变化较小,且温度对其直流电导率的影响明显小于XLPE。炭黑能抑制XLPE中空间电荷累积和改善其直流电导特性的原因是增大了材料中的陷阱密度和陷阱深度。     

纳米填充浓度对LDPE/Silica纳米复合介质中空间电荷行为的影响

为研究纳米颗粒填充浓度对复合介质内部空间电荷特性的影响,以低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)为基料,纳米二氧化硅(Silica)为填充颗粒,制备了浓度在0%～5%范围的纳米LDPE/Silica复合介质,并测试了复合介质的准稳态直流电导和空间电荷分布。当LDPE内填充不同浓度的纳米silica后,复合介质内部的平均体空间电荷密度均得到有效抑制,且其平均衰减速度随填充浓度的升高而下降,但复合介质的准稳态直流电导在填充浓度低于0.5%时比纯LDPE时要大,当填充浓度高于0.5%时,准稳态直流电导随着填充浓度的升高而快速下降。结果表明试样内部的空间电荷分布存在3种趋势:当纳米silica填充浓度为0%～0.1%时,试样内表面侧的异极性空间电荷量随填充浓度升高而下降;当填充浓度为0.5%～2%时,试样内表面侧积累同极性电荷,并随填充浓度升高而增大;当填充浓度高于2%时,同极性空间电荷量下降。最低空间电荷密度和准稳态直流高场电导对应的纳米填充浓度分别为0.5%和5%,表明在应用纳米颗粒对聚合物的绝缘性能改良时,为获得最佳的介电性能,应根据实际需求来选择适当的填充浓度。     

热老化下TiO2/LDPE纳米复合材料内空间电荷特性的研究

采用电声脉冲法和差示扫描量热法测试热老化前后纯低密度聚乙烯(LDPE)和TiO_2/LDPE复合材料样品的空间电荷分布情况及结晶特性,着重分析热老化后TiO_2/LDPE复合材料的空间电荷行为,结合相关理论模型以及电荷体密度、材料结晶度等计算结果,探究热老化及纳米粒子对LDPE绝缘材料内空间电荷特性的影响规律和内在机理。结果表明:纳米TiO_2的表面效应及界面结构提高了LDPE基体的结晶度并减少了空间电荷的来源,从而抑制了热老化前后材料内空间电荷的积聚行为,而TiO_2/LDPE复合材料的抗热老化能力主要与其结晶度的变化有关。虽然热老化能直接影响LDPE的空间电荷特性,但是纳米粒子不仅能减少空间电荷的积聚,还能延缓热老化进程,因此在热老化条件下TiO_2/LDPE复合材料仍具备抑制空间电荷的能力。     

PS/LDPE纳米复合材料介电性能研究

将一种高聚物纳米颗粒-聚苯乙烯(PS)纳米球加入到低密度聚乙烯(LDPE)中,通过熔融共混法制备了PS质量分数为2%的PS/LDPE纳米复合电介质,利用电声脉冲(PEA)法对40 k V/mm电场强度作用下试样内的空间电荷分布进行测试分析,并进行热刺激电流及电导测试。结果表明:PS/LDPE纳米复合材料内部的空间电荷量明显低于纯LDPE;PS/LDPE纳米复合材料在常温下的直流电导率也较纯LDPE小;热刺激电流(TSC)图谱显示PS纳米球的添加改变了材料的陷阱深度和密度,这有可能是抑制LDPE空间电荷累积和直流电导特性发生改变的原因。     

表面修饰纳米SiO_2/XLPE的电导电流和空间电荷特性

为研究纳米颗粒表面修饰对纳米二氧化硅/交联聚乙烯(SiO2/XLPE)电导电流和空间电荷特性的影响,分别将未经表面修饰和经钛酸酯偶联剂TC9修饰的纳米SiO2颗粒添加到XLPE基体中进行了实验。显微观测和成分分析表明,TC9的非极性有机官能团取代了纳米SiO2颗粒表面的羟基,降低了羟基间的相互成键作用,从而改善了纳米SiO2与XLPE基体之间的相容性,纳米SiO2颗粒在XLPE基体中的粒径范围从几十到100 nm;同时,TC9表面修饰提高了纳米SiO2/XLPE复合介质的介电常数和介质损耗,降低了电导电流,抑制了空间电荷的注入;而未经表面修饰的纳米SiO2/XLPE复合介质的电导电流和空间电荷特性相较于XLPE并未得到改善。分析认为,由于经TC9表面修饰的纳米SiO2分散性的改善,增大了纳米颗粒与XLPE基体之间的界面区域,因而在纳米复合介质内产生了更多的深陷阱;电极与介质界面附近的大量深陷阱捕获注入的电荷,形成固定的空间电荷层,降低了其与电极间的局部电场,从而提高了注入势垒,抑制了空间电荷的进一步注入。     

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。     

纳米颗粒填充浓度和表面处理对纳米MgO/PP空间电荷行为的影响

为研究纳米颗粒表面处理和填充浓度对聚丙烯(polypropylene,PP)介质内部空间电荷特性的影响,以PP为基料,分别以经过表面处理和未经表面处理的纳米氧化镁(Mg O)为填充颗粒,制备了2组不同质量分数的纳米Mg O/PP复合介质,并对纳米复合介质微观特性结构和空间电荷进行了实验研究。微观特性研究表明:无机纳米颗粒在聚合物中分散均匀,经过表面处理的复合介质团聚更少,Mg O的添加使介质结晶峰值温度和结晶度增加。空间电荷实验表明:在去极化过程中,添加经过表面处理和未经过表面处理的Mg O后,复合介质阴极的同极性电荷量减少,阳极异极性电荷基本消失,整体电荷密度下降;当Mg O质量分数为0.5%时,50 kV/mm电场强度下未经表面处理的体电荷密度为纯PP的37.2%,经过表面处理的体电荷密度为纯PP的52.8%,抑制效果均为实验试样中最佳;高电场下,未经过表面处理的复合介质对于空间电荷抑制作用相比经过表面处理的复合介质更明显,经过表面处理的复合介质对于极化过程中空间电荷造成的电场畸变有更好的抑制效果。     

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SiOx/聚乙烯复合材料强场电导特性的研究

用双溶液共混法制备了不同掺杂浓度的纳米SiOx/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料,并利用动态机械谱(DMA)对复合材料的机械性能进行了测量.发现纳米SiOx/LDPE复合材料的玻璃化转变温度,储能模量和机械损耗模量随着纳米氧化硅掺杂浓度的增加先减小后增大,但均大于纯聚乙烯.研究了不同掺杂浓度的纳米SiOx/LDPE聚合物复合材料在293～353K的温度范围内的电导特性.结果表明纯聚乙烯和含有纳米SiOx的复合介质的强场电导不符合Schottky效应和Poole-Frenkel效应.进一步的分析表明,纯聚乙烯试样以空间电荷限制电流为主,而含纳米SiOx的复合介质的强场电导则以离子跳跃电导为主,并且通过实验数据计算了不同温度下载流子的跳跃距离.     

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。     

纳米SiOx/聚乙烯复合介质强场电导的预电应力效应研究

测量纳米SiOx/低密度聚乙烯(LDPE)复合介质在强场下的电导特性时,发现这种介质具有预电应力效应,即复合e)dtysgye介质经相同极性的较高直流电场(8×107V/m)预压作用2h后,直流电导比预压前的小,并随着纳米SiOx浓度的增加,这种预电应力效应越明显。通过透射电子显微镜(TEM)研究了纳米SiOx与LDPE之间的界面状态及纳米SiOx在LDPE中的分散形态;X射线衍射(XRD)结果表明纳米SiOx影响LDPE的结晶形态;另外运用傅立叶红外光谱(FTIR)研究了纳米SiOx与LDPE分子链间的相互作用。文章最后结合上述微观测试结果解释了纳米SiOx的添加所引起的LDPE强场下的预电应力效应。     

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。     

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。     

制备工艺对SiO_2/LDPE纳米复合材料空间电荷特性和直流击穿强度的影响

采用平行双螺杆挤出机和转矩流变仪制备了Si O2/LDPE纳米复合材料,研究了两种工艺对纳米粒子分散情况和介电性能的影响。利用电声脉冲法(PEA)比较LDPE和Si O2/LDPE纳米复合材料的空间电荷抑制能力,并测量了其室温下的直流击穿特性。结果表明:Si O2/LDPE比LDPE具有更高的空间电荷抑制能力,且两种工艺制备的Si O2/LDPE直流击穿强度分别提高了21.8%和3%。扫描电镜(SEM)分析表明,平行双螺杆制备的Si O2/LDPE纳米复合材料中的纳米粒子分散性更好,其空间电荷的抑制能力更高,直流击穿强度比转矩流变仪制备的材料高18.22%。平行双螺杆比转矩流变仪具有较高的剪切力,可提高纳米粒子在聚合物中分散性,进一步提高了Si O2/LDPE纳米复合材料的介电性能。     

纳米MgO掺杂聚乙烯中空间电荷行为的研究

介绍了采用电声脉冲法测量纯低密度聚乙烯以及氧化镁／低密度聚乙烯（MgO／LDPE）纳米复合介质中的空间电荷,讨论了不同含量的MgO以及不同型号LDPE作为基础材料对复合介质内空间电荷分布的影响。实验结果表明：随着直流电场的增加,在纯聚乙烯中产生电荷注入现象,且随着加压时间的增加,注入的同极性电荷有向另一电极移动的趋势。少量的MgO可以有效抑制复合介质中的空间电荷注入,随着MgO含量的增加,对复合介质的空间电荷注入抑制效果逐渐减弱。     

热老化前后LDPE/SiO2纳米复合材料空间电荷积聚分析

在实际运行中,直流场强和热环境都会对聚乙烯电缆内空间电荷积聚行为产生影响,过量的空间电荷会威胁其绝缘性能,虽然纳米复合材料具备抑制空间电荷的能力,但对于热老化后其空间电荷的积聚特性仍有待进一步研究。采用电声脉冲法对热老化前后不同浓度的低密度聚乙烯(LDPE)/二氧化硅(SiO_2)纳米复合材料内空间电荷的积聚行为进行分析。结果表明,热老化会降低电极注入势垒并产生随机分布的深陷阱和杂质,增加空间电荷积累。纳米SiO_2引入的大量界面区域会产生均匀分布的深陷阱,并形成界面反电场,从而抑制载流子的运输和注入,且纳米粒子可以提高材料稳定性,提升电极注入势垒并延缓热老化进程。相比于纯LDPE,LDPE/SiO_2材料在热老化前后都具有明显的抑制空间电荷的能力。