硅烷偶联剂改性纳米AlN对碳化硅器件封装用有机硅弹体耐电及老化特性的影响

为了研究硅烷偶联剂改性纳米氮化铝（AlN）对有机硅弹体耐电及高温老化特性的影响,该文将纯有机硅弹体及其硅烷偶联剂改性纳米AlN复合材料在250℃高温下热老化500h,对老化前后的试样进行形貌分析、扫描电镜（SEM）断面表征、热重分析（TGA）、直流电导率及去极化电流测试、空间电荷测量、介电谱、直流击穿实验和量子化学计算,并对硅弹体基体和纳米AlN界面在老化过程中的状态变化进行分析,提出热老化前后的界面模型。结果表明：纯有机硅弹体热老化后热分解产生大量断链和内部微孔,其浅陷阱密度增加;对于纳米复合材料,老化前硅弹体基体与纳米AlN之间存在界面间隙,浅陷阱深度减小;热老化前后的界面状态对硅弹体纳米复合材料的热稳定性和电气性能产生了明显的影响,热老化后硅弹体基体与纳米AlN之间形成化学键和氢键,提高纳米复合材料的热分解温度,也使其深陷阱深度和密度增加。相比于老化后的纯有机硅弹体,老化后的纳米复合材料直流电导率更低、空间电荷积累更少、直流击穿场强明显提升,且质量分数3%纳米掺杂的复合材料具有最好的热分解抑制效果。研究结果表明,适量掺杂的硅烷偶联剂改性纳米AlN可显著提升有机硅弹体的耐电及老化特...     

环氧树脂/氧化铝微米复合电介质分子链松弛行为研究

为了研究环氧树脂/氧化铝微米复合电介质分子链松弛行为,本文制备了含有不同质量分数微米氧化铝填料的环氧复合电介质,通过差示扫描量热实验、宽带介电谱实验以及介电谱拟合计算,从玻璃化转变与介电松弛的角度,研究填料质量分数对环氧复合电介质介电松弛行为的影响。结果表明：微米氧化铝填料的加入使得试样玻璃化转变温度下降,但并不影响材料的分子链松弛强度。使用Arrhenius公式计算了复合电介质分子链松弛运动的活化能系数,发现随着填料质量分数的增加,活化能系数下降。分子链松弛的活化能系数与玻璃化转变温度有关,活化能系数高的试样,玻璃化转变温度高,表明其内部链段结合更紧密。     

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。     

氧化锆复配纳米氧化铝杂化聚酰亚胺薄膜的介电性能研究

采用微乳化-热液法制备了一系列氧化锆（ZrO2）改性的纳米氧化铝分散液,然后用原位聚合法制备了相应的氧化锆复配纳米氧化铝杂化聚酰亚胺复合薄膜,并对其进行了TEM表征、电气强度和电导电流测试以及电老化阈值分析。结果表明：掺杂氧化锆复配纳米氧化铝的杂化聚酰亚胺复合薄膜的电气强度大幅提高,当ZrO2的掺杂量为7%时,电气强度达到最高为396.8 MV/m;其电导电流密度、电老化阈值均高于只掺杂纳米氧化铝的聚酰亚胺薄膜,且随ZrO2含量增加均出现先增大后减小的趋势。     

纳米氧化铝改性聚酰亚胺薄膜的制备与研究

用溶胶-凝胶法制得纳米氧化铝溶胶,将其掺入到聚酰胺酸基体中,采用原位生成法制备了一系列不同掺杂量的PI/Al2O3复合薄膜。利用耐电晕测试装置、耐击穿测试装置、扫描电子显微镜(SEM)对薄膜进行了测试及表征。结果表明:随着掺杂量的提高耐电晕时间增大,当掺杂量为30%(质量分数)时PI薄膜的耐电晕时间为57.64 h,是未掺杂的15倍以上。随着掺杂量的提高杂化薄膜电气强度先增大后减小,但都比未掺杂的低。纳米氧化铝粒子在PI基体中分散较均匀。     

微纳掺杂对环氧/氮化硼复合绝缘热导率和击穿特性的影响

采用微米和纳米氮化硼(BN)为填料,制备了微纳掺杂环氧/BN复合绝缘材料,并对BN掺杂总量一定时,环氧/BN复合绝缘热导率和击穿特性随纳米BN掺杂量的变化进行研究.结果表明:当控制BN掺杂总质量分数为20％时,随着纳米BN含量的增加,复合绝缘的热导率略有下降,工频电气强度先上升后下降,厚度为0.2 mm的试样在8 kV、25 kHz高频双极性方波电压下的耐压时间缩短.纯微米BN掺杂的环氧复合材料热导率最大(0.83 W/(m·K)),且在高频双极性方波电压下的耐压时间最长(193 s),分别比纯环氧树脂提高了277％和408％;当纳米BN的质量分数为1％时,环氧复合绝缘的工频电气强度最高,为131 kV/mm,比纯环氧树脂提高了27％.因此,对于微/纳米共掺杂环氧复合体系而言,纳米颗粒的加入主要有助于提高复合材料的工频电气强度,但会使复合材料的热导率下降,缩短其在高频双极性方波电压下的耐压时间.     

真空下环氧复合材料耐脉冲电流烧蚀性能

在脉冲功率装置中,由于沿面闪络引起绝缘破坏的现象极其常见,因而有必要研制具有高耐烧蚀强度的绝缘材料来延长脉冲功率装置的使用寿命。本文通过向环氧基体中添加微/纳米氢氧化铝,微/纳米氧化铝,以真空闪络一定次数后试样表面形貌和质量损失的变化为烧蚀性能的评价方法,研究了无机填料对环氧耐烧蚀性能的影响。试验结果表明:无机填料对环氧耐烧蚀性能有所提高,氢氧化铝的效果比氧化铝明显;纳米氢氧化铝要好于同质量分数的微米氢氧化铝,而微/纳米氧化铝之间的效果差别刚好相反。     

等离子体氟化纳米SiC/环氧复合涂层对环氧树脂闪络特性的影响

环氧树脂绝缘子在电场的作用下会发生表面电荷积聚,严重时会发生沿面闪络现象,威胁电力系统和电气设备的安全运行。为此利用CF4/Ar等离子体对纳米SiC进行氟化处理,以改变其在环氧树脂中的界面特性,将含有不同质量分数氟化纳米SiC的环氧复合涂层材料以3种不同厚度涂覆在环氧树脂基体上,对其进行表面电位测试和直流闪络测试。实验结果表明:随着填料在环氧涂层中含量的增加,试样的闪络电压增高,电荷消散速度加快,陷阱能级和密度降低。增加涂层厚度同样可以提高试样的闪络电压,等离子体氟化纳米SiC质量分数为5%的涂层厚度为600μm时,闪络电压较无涂层试样提高了18.7%。涂覆等离子氟化纳米SiC/环氧复合涂层作为便捷有效的方法,在减少电气设备运行故障方面具有广阔的应用前景。     

介质击穿与界面区陷阱特性的关联

为了研究介质击穿与陷阱特性的关联,分别制备掺杂1%质量分数的聚丙烯/氮化铝和聚丙烯/氧化铝纳米复合电介质,测试了试样的热刺激电流、介电频谱、电阻率和直流击穿特性。实验结果表明：纳米复合电介质的深陷阱密度、体积电阻率和直流击穿强度均高于纯聚丙烯试样。分析发现纳米复合电介质的电阻率和击穿场强与深陷阱密度呈正相关性,深陷阱密度增加,其电阻率和击穿场强增加。基于电荷输运模型和交互区势垒模型,解释了直流击穿机理：介质体内深陷阱密度的增多来源于纳米掺杂形成的界面区;深陷阱密度的增加增强了捕获效应,限制了载流子迁移,导致载流子平均自由程、载流子迁移率和能量减小,使得电导率降低;高场强时,捕获效应增强抑制了介质体内载流子倍增过程,导致碰撞电离不易发生,直流击穿场强增加。     

纳米TiO2改性纤维素绝缘纸板热老化特性

为探究纳米TiO_2改性纤维素纸板长期热老化条件下的电气特性,制备了不同质量分数与粒径的纳米TiO_2复合绝缘和普通绝缘纸板。利用两参数威布尔(Weibull)分布模型计算纳米复合纸板的绝缘失效率,讨论了击穿电压与TiO_2掺杂质量分数之间的关系,确定最佳掺杂质量分数为5%,粒径为10 nm。将样品进行加速热老化试验,测量分析其交直流击穿场强、相对介电常数和电阻率等参数以及油纸颜色和表面微观结构的变化规律;采用有限元软件计算交直流电场分布。仿真结果表明:与未改性绝缘纸板相比,老化后的纳米复合油纸绝缘中,纸板承受的交、直流场强占比更高。试验结果表明:在不同热老化阶段,纳米复合绝缘纸板的交直流电气特性和抗热老化性能始终优于未改性纸板,纳米TiO_2减弱了纸板内部纤维素链的极化,降低了载流子迁移率,改善了绝缘纸板内部场强,提高了电气性能,有效延缓了油纸绝缘的热老化过程,与仿真结果一致。     

热老化条件下LDPE/TiO2纳米复合材料介电特性研究

电力电缆在运行过程中普遍存在的热老化现象容易加速绝缘失效,限制设备使用寿命,甚至引发电力系统故障。纳米粒子掺杂改性可以提高聚乙烯基体材料的热稳定性,开展相关研究可以为提高电缆绝缘寿命提供解决方案。以低密度聚乙烯(LDPE)/二氧化钛(Ti O_2)纳米复合材料为研究对象,分别研究了热老化条件下纳米粒子质量分数、老化时间、老化温度对材料介电特性的影响。实验结果表明,掺杂Ti O_2纳米粒子能够改善LDPE基体材料的介电特性,当Ti O_2纳米粒子填充质量分数为0.5%时,纳米复合材料介电特性最佳。老化时间和老化温度是影响材料介电特性劣化的两个重要因素,随着老化时间推移和老化温度提高,纳米复合材料的介电性能劣化现象越明显。对聚乙烯材料进行纳米改性的同时降低电缆运行环境温度,对提高电缆绝缘寿命具有重要意义。     

低密度聚乙烯/纳米蒙脱土复合材料的水树枝生长特性

低密度聚乙烯是高压电力电缆的主要绝缘材料,水树枝生长特性与聚乙烯高压电力电缆绝缘击穿具有紧密联系。采用熔融插层复合法制备了一种低密度聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料;设计制作了纳米复合材料的水树枝老化试样及试验装置,在试验中观测了试样的水树枝生长长度,并对试样的水树枝引发率进行了统计,分析了低密度聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的吸水率对水树枝生长的影响;采用差示扫描热法分析了试样的结晶度和晶粒尺寸均匀性,通过分析低密度聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的结晶行为,说明了纳米蒙脱土对纳米复合材料中水树枝的抑制机理。试验与分析结果表明:掺杂质量分数为3%的纳米蒙脱土粒子能够有效地提高低密度聚乙烯的结晶度,使晶粒尺寸分布均匀,吸水率减小,延缓水树枝在低密度聚乙烯中的引发与生长。     

纳米MgO/环氧树脂复合电介质的介电性能研究

将纳米Mg O颗粒与环氧树脂混合后制得不同掺杂量的纳米Mg O/EP复合电介质,采用SEM观察纳米Mg O在环氧树脂中的分散情况,采用DSC测试环氧复合电介质的玻璃化转变温度,并研究了纳米Mg O对环氧树脂介电性能的影响。结果表明:纳米Mg O颗粒在环氧基体中分散均匀,掺杂Mg O可以提高环氧树脂的玻璃化转变温度。随着纳米Mg O掺杂量的增加,介电常数先下降后上升,在掺杂量为1%时介电常数实部达到最小值,掺杂纳米Mg O使环氧树脂的中低频损耗明显降低;复合电介质的电导活化能和体积电阻率均随着纳米掺杂量的增加呈先上升后下降的趋势,在掺杂量为0.1%时电导活化能和体积电阻率达到最大;复合电介质的电气强度随着掺杂量的增加呈先上升后下降的趋势,当掺杂量为1%时电气强度达到最大值,相比纯环氧树脂提高了11.2%。     

纳米SiO2添加对乙丙橡胶相对介电常数和电导特性的影响

为了明确纳米SiO2添加对乙丙橡胶绝缘相对介电常数和电导特性的影响,使用熔融共混法制备了含不同质量分数纳米SiO2的乙丙橡胶复合电介质,分析了纳米颗粒在乙丙橡胶基体中的分散特性,以及纳米颗粒与乙丙橡胶基体的键合性质,测量了乙丙橡胶纳米复合电介质的相对介电常数以及不同温度和电场下的稳态电流,分析试样的电导特性.结果表明:当纳米SiO2质量分数为0.5％时,在乙丙橡胶中的分散性最好,低浓度掺杂形成的位阻作用,降低了乙丙橡胶分子链段及其侧基链段的活动能力,纳米复合电介质中的界面效应明显,介电常数、电导率降低,空间电荷注入的阈值场强提高,绝缘性能得到明显提升.随着质量分数提高,纳米颗粒与乙丙橡胶基体之间的界面效应减弱;当纳米SiO2质量分数为2.5％、5.0％时,掺杂形成的团聚使纳米复合电介质的介电常数增大,电导率提高,空间电荷注入的阈值场强降低.纳米SiO2添加带来的界面效应是影响乙丙橡胶纳米复合电介质性能的关键因素.     

氢氧化铝含量对硅橡胶结构及憎水恢复性的影响

氢氧化铝(ATH)作为阻燃剂是复合绝缘子硅橡胶的基本原料。为研究ATH含量对硅橡胶结构和憎水恢复性的影响,炼制ATH质量分数分别为40%、45%、50%和55%的硅橡胶试样,对试样进行正电子寿命谱、邵氏硬度测试,及5 min Ar等离子体老化实验。结果表明:ATH质量分数从40%增加到55%时,次长寿命强度I3从7.8%下降到6.1%,而最长寿命强度I4从24.8%锐减至18.6%。随ATH质量分数增加,硅橡胶中2种自由体积的尺寸基本不变;但ATH颗粒容易发生团聚,这些颗粒占据了分子链运动空间,限制了大分子链的运动,使得大尺寸自由体积数量减少,特别是使大尺寸孔洞的数量锐减。邵氏硬度随ATH质量分数增大而变大,说明样品由弹性体朝无机体转变。经相同等离子体处理时间后,硅橡胶憎水恢复速度随ATH质量分数增加而减慢,结合正电子湮没寿命结果可知,ATH的加入限制了体系内硅橡胶分子链的运动,自由体积数量减少,使得小分子输送通道变少。     

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。     

高温阶梯式升压下等离子体处理纳米颗粒对环氧树脂复合材料的电荷动力学特性影响

高含量纳米掺杂易团聚会导致空间电荷积聚、电场畸变,从而降低材料的绝缘性能。为了提升高含量纳米颗粒在基体中的分散性,采用等离子体对纳米氧化铝表面进行处理,制备了纳米氧化铝质量分数为10%的环氧树脂纳米复合材料,利用扫描电子显微镜对颗粒的分散性进行表征,采用高温空间电荷测量装置和电导电流测试系统研究了不同温度阶梯式升压下试样的电荷动力学特性。结果表明,等离子体处理能有效地抑制高含量纳米氧化铝的团聚。高温下纳米氧化铝质量分数为10%的试样空间电荷输运明显,电导率提高了近3个数量级;等离子体处理后的含10%纳米氧化铝试样始终保持最低的电荷量和电导率,且电导率与电场强度呈近似线性关系。等离子处理后的纳米氧化铝能有效地抑制高温下空间电荷的注入、积聚与输运,降低载流子迁移和电导活化能,提升高温下环氧树脂复合材料的电气性能。基于结果与分析提出了高温阶梯式升压下等离子处理前后纳米颗粒对环氧树脂复合材料的电荷动力学特性的作用机理。     

交联聚乙烯热老化与绝缘性能的关联关系

为研究交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）绝缘材料的热分解活化能、电气特性和力学特性随热老化程度变化的规律,对交流电力电缆绝缘用XLPE材料在110 ℃下开展加速热老化实验。采用热失重（thermogravimtric analyzer, TGA）测试手段,对XLPE在20~600 ℃的热分解行为进行研究;采用交流击穿测试、宽频介电谱测试及体积电阻率测试,研究老化后XLPE试样的电气特性;采用拉伸实验测试,研究老化后XLPE试样的力学特性。结果表明：热老化使得XLPE的交联结构和结晶状态被破坏,XLPE活化能呈减小趋势。由于氧化反应快速进行,使得XLPE分子链发生断裂,交联结构变弱,导致XLPE绝缘材料严重劣化,其活化能、击穿强度、体积电阻率、弹性模量和断裂伸长率随老化时间增长呈下降趋势,而介电常数、介电损耗和电导率呈增加趋势。     

交联聚乙烯热老化与绝缘性能的关联关系

为研究交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）绝缘材料的热分解活化能、电气特性和力学特性随热老化程度变化的规律,对交流电力电缆绝缘用XLPE材料在110 ℃下开展加速热老化实验。采用热失重（thermogravimtric analyzer, TGA）测试手段,对XLPE在20~600 ℃的热分解行为进行研究;采用交流击穿测试、宽频介电谱测试及体积电阻率测试,研究老化后XLPE试样的电气特性;采用拉伸实验测试,研究老化后XLPE试样的力学特性。结果表明：热老化使得XLPE的交联结构和结晶状态被破坏,XLPE活化能呈减小趋势。由于氧化反应快速进行,使得XLPE分子链发生断裂,交联结构变弱,导致XLPE绝缘材料严重劣化,其活化能、击穿强度、体积电阻率、弹性模量和断裂伸长率随老化时间增长呈下降趋势,而介电常数、介电损耗和电导率呈增加趋势。     

纳米Al_2O_3掺杂对绝缘纸热老化电气特性的影响

为探究纳米Al_2O_3掺杂对纤维素绝缘纸热老化条件下电气特性的影响,在实验室制备了纳米Al_2O_3掺杂质量分数为2%的复合绝缘纸和普通绝缘纸手抄片,浸油后形成油纸复合绝缘样品,并在130℃老化箱中开展加速热老化试验。试验测试了不同老化阶段纳米复合纸与普通纸的电气参数及油纸老化产物,研究了纳米Al_2O_3掺杂提升绝缘纸电气性能的机理,并分析得到了老化过程对绝缘纸电气性能的影响规律。研究结果表明:掺杂纳米Al_2O_3的复合绝缘纸具有较好的交直流电气特性和抗热老化性能,认为纳米Al_2O_3的"介电双层"结构有效减弱了绝缘纸内界面极化和转向极化,降低了绝缘纸的相对介电常数及介质损耗。纳米Al_2O_3掺杂可以有效降低绝缘纸中载流子迁移率,增大其体积电阻率。Al_2O_3的高热导率及其与纤维素间的连接作用增大了绝缘纸热导率,加速了绝缘纸内热量扩散,提升了绝缘纸抗热老化性能。