XLPE/MMT纳米复合材料击穿性能研究

利用冲击电压试验系统,分别对交联聚乙烯基体材料和不同类型的交联聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料进行了负极性冲击击穿和交流击穿试验,并结合Weibull分布对击穿试验结果进行了统计性分析,其结果表明了不同蒙脱土类型对复合材料击穿性能的影响及蒙脱土含量对复合材料击穿性能的影响,进而也明确了在不同电压下复合材料的击穿场强较聚合物基体提高的程度.     

XLPE/OMMT纳米复合材料水树枝老化特性的研究

通过熔融共混法分别以EEA、EVA为相容剂制备了聚合物/蒙脱土(XLPE/OMMT)纳米复合材料。采用水针法对试样进行水树老化,并通过显微镜观察水树枝形态,研究OMMT用量、两种相容剂和有机插层剂种类对水树枝的影响。结果表明:与纯XLPE相比,添加OMMT的复合材料的水树枝生长长度明显减小,采用EVA作为相容剂可有效提高XLPE/OMMT复合材料的抗水树枝性能,有机插层剂对水树枝的生长长度影响较小。     

成型方式对XLPE/OMMT纳米复合材料介电性能的影响

为了研究压制成型法和挤出成型法对纳米复合材料介电性能的影响,分别采用两种成型方式制备了交联聚乙烯/有机化蒙脱土（XLPE/OMMT）纳米复合材料。探讨了不同复合材料中有机化蒙脱土的层间距变化对复合材料电阻-温度特性、介电常数和介质损耗以及电气强度的影响。结果表明：成型加工过程中的力场作用会影响OMMT的插层分散效果;挤出成型过程中的拉伸应力使试样中OMMT片层沿拉伸方向进行取向,形成了规整排列单元,载流子的迁移运动受到阻碍,从而改善了试样的电阻-温度特性;聚合物分子链段的运动受限于取向的片层间,使试样中偶极子的极化率降低,使得介电常数和介质损耗因数减小;同时,OMMT的有效插层与聚合物形成的杂化结构使电子产生漫反射现象,延长了电子运动路径,提高了挤出成型试样的电气强度。     

热老化对XLPE/OMMT纳米复合材料微观结构和力学性能的影响

采用熔融共混的方法制备了交联聚乙烯/有机化蒙脱土（XLPE/OMMT）纳米复合材料,通过小角X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和力学性能测试对试样热老化前后的性能进行表征。结果表明：老化前质量分数为0.5%的OMMT可在基体中达到最佳分散状态,填料掺杂量增多时会团聚;OMMT与XLPE基体仅有较少的化学键联系,两者主要以物理缠结的形式共存;OMMT片层的空间位阻效应使纳米复合材料的结晶度下降。老化后仅有XLPE/OMMT-0.5%试样的层间距减小,结晶度升高;随OMMT掺杂量的增加,层间距会因XLPE分子链断裂和OMMT在基体中的热重排而增大,晶体结构完善性变差,晶体尺寸分布变宽,结晶度显著降低;受热氧反应和热裂解反应的影响,分子链结构破坏严重。老化后XLPE/OMMT-0.5%的力学性能仅小幅度降低,当OMMT质量分数超过0.5%时,材料力学性能劣化严重,变脆变硬。     

XLPE及XLPE/MgO纳米复合材料的击穿强度与力学性能的比较研究

对比研究了氧化镁/交联聚乙烯电缆绝缘复合材料和传统的交联聚乙烯材料的击穿强度、力学性能、形态与分布、热稳定性和结晶度。结果表明,与传统交联聚乙烯相比,纳米复合材料的直流击穿强度、交流击穿强度、拉伸强度和初始分解温度分别提高了约20%、8%、7%和10%,介电常数和介质损耗因数基本不变,表明氧化镁纳米粒子的加入可提高电力电缆绝缘材料的击穿强度、力学性能和热稳定性。     

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.     

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。     

交联行为对XLPE/OMMT纳米复合材料结构和介电性能的影响EI北大核心CSCD

为了研究交联行为对纳米复合材料结构和介电性能的影响,采用熔融共混的方法分别制备聚乙烯/有机化蒙脱土(polyethylene/organic montmorillonite,PE/OMMT)和交联聚乙烯/有机化蒙脱土(cross-linked polyethylene/organic montmorillonite,XLPE/OMMT)纳米复合材料。通过小角X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)对试样的性能进行表征。结果表明:OMMT掺杂进入聚合物基体中,层间距将会发生变化,而聚合物的交联会使OMMT的层间距减小;OMMT的异相成核作用使纳米复合材料的结晶形态由球晶变为横穿晶,与交联前相比,XLPE/OMMT试样的非晶区面积增大,结晶度下降。宽频介电谱测试结果表明:复合材料的介电常数随频率的增加而下降,在相同OMMT含量下,XLPE/OMMT纳米复合材料的介电常数高于PE/OMMT。交联影响了OMMT在基体中的分散,使介电频谱由交联前的单峰变为双峰,且峰值增大。随着温度的升高,双峰峰宽加大,松弛时间分布加宽,低频峰在低频段弥散,高频峰移向高频。OMMT含量的增加和交联过程共同导致了OMMT在基体中分散效果变差,界面极化和多元化的基团损耗使介电频谱和温谱发生了明显变化。     

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。     

EP/MWNTs/OMMT复合材料的电学性能研究

通过对多壁碳纳米管(MWNTs)进行酸化处理,并将MWNTs和有机化蒙脱土(OMMT)两种纳米粒子加入到环氧树脂(EP)中,采用酸酐类固化剂固化,制得了EP/MWNTs/OMMT三相复合材料。对MWNTs酸化前后的微结构进行了观察及对三相复合材料的介电性能进行了测试。结果表明:酸化后的多壁碳纳米管在溶剂中的分散性得到很大的改善,提高了MWNTs在环氧基质中的分散性;随着MWNTs含量的增加,EP/MWNTs/OMMT复合材料的体积电阻率总体呈下降的趋势,介电常数与介质损耗呈现先下降后上升的趋势,OMMT的加入在一定程度上对EP/MWNTs/OMMT复合材料的介电性能起到了积极的作用。     

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。     

高温高场强下XLPE及其纳米复合材料电导机制转变的实验研究

为研究交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)在高场强下电导机制的转变过程,测量了XLPE及XLPE/Si O2纳米复合材料在20、50和80℃下和2~70 kV/mm场强下的电流特性。此外,利用多种电导机制的数学公式,对这两种XLPE的电场–电流密度曲线进行拟合,从而分析不同温度与高场强下上述两种XLPE在非欧姆区的电导转变机制。结果表明:温度、场强、纳米掺杂与预压效应都会对XLPE的电导产生影响。通过分析发现,随着场强升高,这两种XLPE的电导机制从低场强区的欧姆电导发展为高场强区的体效应(Poole-Frenkel),而后至高场强的电极效应(Schottky)。且这种转变的阈值场强随温度升高而降低。另外,纳米掺杂与预压过程能有效降低相同温度与场强下XLPE的电流密度。此外,预压过程能减小相同温度与电场下的电流密度并提升上述两种转变的阈值场强。     

微/纳米氧化铝/环氧树脂复合材料热导率和击穿强度的研究

为研究微、纳米氧化铝无机颗粒对环氧树脂导热性能和电性能的影响,制备出了不同含量微/纳米氧化铝/环氧树脂复合材料。结果表明:纳米氧化铝提高了环氧树脂的击穿强度,而微米氧化铝则降低了击穿强度。环氧树脂的热导率随着氧化铝含量的增加而增大,纳米氧化铝因氧化铝颗粒与环氧树脂之间的高热阻而对环氧树脂热导率影响相对较小。     

纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料非线性电导特性

为解决高压直流电缆附件中因复合绝缘材料电导率差异而引起的电场分布不均问题,采用纳米碳化硅为填料,对附件绝缘加成型液体硅橡胶进行改性,制备了具有非线性电导特性的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料。同时对比研究了纯硅橡胶和质量分数分别为1%、3%、5%的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料的非线性电导特性和介电特性。研究结果表明:相比于纯硅橡胶,纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料的电导率从原来的10-15 S/m增加到10-14~10-13 S/m左右,非线性系数由0.3提高到1.03,相对介电常数增加了0.46,介质损耗因数基本不变。为了验证非线性纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料在直流电缆附件内均化电场的效果,采用Comsol-Multiphysics软件,对其电缆终端和中间接头内的电场分布进行了仿真分析。仿真结果表明:将非线性纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料应用于高压直流电缆附件应力锥处,其电场集中最大值下降了80%,实现了均化电场的目的。     

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。     

纳米蒙脱土对聚乙烯击穿和电导特性的影响

为了探讨纳米蒙脱土对聚乙烯击穿性能和电导特性的影响,采用威布尔(Weibull)统计的方法分析了电介质的击穿场强,利用电导温度谱图分析了不同试样电导的温度特性,用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对复合材料的微结构进行了表征。研究了插层温度和电老化对聚乙烯复合材料击穿性能的影响及其电导的温度特性,以及电介质电击穿后结构的变化。结果表明,用蒙脱土对聚乙烯进行改性能明显提高其击穿性能和改善电导特性:与纯聚乙烯相比,聚乙烯/蒙脱土复合材料试样具有明显的极性电介质的损耗特征,而且复合材料试样的绝缘电阻率在50~60°C的温度范围内明显高于低密度聚乙烯(LDPE)的值;而耐电老化性能也有所提高:在电老化66 h后,其击穿场强是纯聚乙烯的1.10倍;并且蒙脱土与聚乙烯形成的强的相互作用区像"交联点"等,能明显减少复合材料的电场破坏。可见,纳米蒙脱土的加入有望提高聚乙烯的长期介电强度和耐温等级。     

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.     

OMMT/PES/BMI复合材料的介电性能

采用十八烷基三甲基氯化铵(OTAC)改性钠基蒙脱土(Na-MMT)获得有机蒙脱土(OMMT)。以两种烯丙基化合物和双马来酰亚胺(BMI)作为基体,添加2 wt%聚醚砜(PES)和不同含量(2~8 wt%)的OMMT,制备OMMT/PES/BMI多相复合材料。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)分析了Na-MMT改性前后红外特征峰和微观形貌的变化,结果表明其改性效果明显,将钠离子置换为OTAC有机阳离子,且OMMT片层结构清晰。介电性能测试结果表明:随着OMMT含量的增加,材料的介电常数和介质损耗角正切呈现先增加后下降的趋势,当OMMT含量为4 wt%时,两者达到最小,100 Hz下分别为3.49和0.002 6。体积电阻率和击穿场强在此时也达到最大,分别为19.98×1015?·m和26.07 k V/mm,与未添加OMMT的样品相比,分别提高了102.4%和38%。     

XLPE与MgO/XLPE纳米复合材料周期性直流接地电树枝与交流电树枝的温度特性

随着电力电缆的广泛应用,由电树枝化导致的电缆绝缘失效问题得到了人们越来越多的关注。以交联聚乙烯(XLPE)和纳米Mg O掺杂的交联聚乙烯(Mg O/XLPE)为研究对象,研究了这两种材料在20~80℃下的周期性直流接地电树枝和交流电树枝特性。实验结果表明:两种材料中的周期性直流接地电树枝呈枝状,对应的分形维数接近1,交流电树枝呈丛状,对应的分形维数接近2;纳米Mg O颗粒的添加对于抑制周期性直流接地电树枝的生长有显著效果,但对抑制交流电树枝的生长效果有限;XLPE中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升呈现先下降后上升的趋势,Mg O/XLPE材料中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升变化不明显,两种材料中的交流电树枝长度随温度的上升均呈现出增加的趋势,但增幅较小。