表面氟化聚酰亚胺薄膜的空间电荷动态特性研究

聚酰亚胺以其优良的电气性能作为一种重要的绝缘介质在工业领域得到了广泛的应用。由于温度能够显著影响绝缘介质的老化程度,对不同温度条件下聚酰亚胺薄膜的空间电荷分布开展研究具有重要的意义。最近的研究表明,表面氟化技术能够在不破坏聚酰亚胺薄膜内部分子结构的前提下改变其表层分子结构从而进一步提高其电气性能。通过对聚酰亚胺进行不同条件下改性处理,制备了4组试验试样,每组样品为两层聚酰亚胺叠加以研究其界面空间电荷分布。所用试样表面氟化处理时间分别为15 min、45 min和75 min。搭建了基于激光热脉冲法的空间电荷测量装置,分别测量了40℃、80℃、120℃、160℃下试样的空间电荷分布。结果表明表面氟化处理技术能够调节聚酰亚胺薄膜间空间电荷分布,且随着温度的提高聚酰亚胺内部积聚的空间电荷变少。     

表面氟化对聚酰亚胺薄膜吸水特性及其击穿电压和表面电荷特性的影响

对于长期运行在潮湿环境中的风机和牵引电机,其绕组绝缘—聚酰亚胺薄膜极易因吸水而导致绝缘性能降低或过早失效,使系统发生绝缘故障。因此有必要研究聚酰亚胺薄膜的吸水特性及吸水之后聚酰亚胺薄膜的电气强度和表面电荷的动态变化规律。表面氟化作为一种材料表面改性方法,可以通过改变聚合物表面的化学组成而提高聚合物绝缘的整体性能。针对聚酰亚胺薄膜分别进行时间为0、15、30、45和60 min的表面氟化处理,并对氟化后聚酰亚胺薄膜的吸水特性及吸水后其相对介电常数、击穿电压和表面电荷动态特性进行研究。实验结果显示:聚酰亚胺薄膜的吸水率随着表面氟化处理时间的增加逐渐减小,试样的相对介电常数由于吸水率增加而随之增大,当氟化时间为45 min时,试样的相对介电常数最小;表面氟化处理提高了聚酰亚胺薄膜浸水后的击穿电压和表面电荷消散时间。研究结果表明聚合物表面氟化处理能够提高聚酰亚胺薄膜在潮湿环境中的绝缘性能,并为其工程应用提供了有效改性方法。     

潮湿环境下聚酰亚胺/Al_2O_3纳米复合薄膜表面电荷及击穿特性研究

采用原位聚合法制备了聚酰亚胺/Al_2O_3纳米复合薄膜,将薄膜分别浸泡于高纯水中12、24、48、72、96、120、144、168 h,分析脉冲电压作用下浸水聚酰亚胺纳米复合薄膜的吸水性能和表面电荷分布动态特性,研究潮湿环境下聚酰亚胺/Al2O3纳米复合薄膜的绝缘破坏特性。结果表明:纳米复合薄膜的吸水率大于纯聚酰亚胺薄膜。与未添加纳米粒子的薄膜相比,浸水后纳米复合薄膜的表面电荷消散速度更快,击穿电压更低。由于吸水特性的影响,工作于潮湿环境中的纳米复合聚酰亚胺薄膜的耐击穿性会低于纯聚酰亚胺薄膜。     

聚酰亚胺薄膜表面电荷的开尔文力显微镜研究

为在微纳米尺度下研究无机纳米掺杂对聚酰亚胺表面电荷特性的影响,采用开尔文力显微镜测量了杜邦公司生产的原始聚酰亚胺薄膜和纳米掺杂耐电晕聚酰亚胺薄膜二种材料,在被导电微探针注入电荷后的表面电荷发生、发展特性。实验发现,在相同的电荷注入条件下,耐电晕薄膜上表面电荷积累量约为原始聚酰亚胺薄膜上电荷积累量的50%;耐电晕薄膜上电荷消散速度较快,约为原始聚酰亚胺薄膜上的4~5倍。分析可知,耐电晕薄膜由于掺杂了纳米颗粒Al2O3,使得薄膜的注入势垒增大、电阻率减小,这些因素减少了耐电晕薄膜表面电荷的积累,避免了局部电场畸变,进而增强了材料的耐电晕特性。     

表层氟化环氧纳米复合材料表面的电荷动态特性

环氧树脂绝缘表面积聚的大量电荷是导致表面闪络的重要因素。在环氧树脂中掺杂TiO2无机纳米颗粒之后,可以增强其力学性能和抗电痕破坏性能,但对其表面电荷动态过程研究较少。同时,表层氟化可以保持原有有机聚合物的优良性能之外,还可使聚合物的本证缺陷得到改善。为此,制备了纯环氧试样以及含纳米TiO2质量分数分别为2%、4%、6%、8%的纳米复合试样,并对试样进行不同时间(0、30、60、90、120 min)的氟化处理,研究其在直流电场下纳米TiO2质量分数与氟化时间对表面电荷的积累与消散特性的综合影响。研究表明:纳米TiO2颗粒会减缓环氧树脂表面电荷消散的速度,6%纳米复合试样电荷消散最慢;表层氟化处理可以加速电荷消散速度,所以可以通过表层氟化处理来弥补纳米颗粒加入后对环氧树脂绝缘性能所带来的不利影响。     

适用于潮湿环境的聚酰亚胺复合薄膜的制备及性能研究

以水滴为模板,含氟聚酰亚胺为成膜材料,在聚酰亚胺薄膜的表面引入含氟聚酰亚胺多孔膜,制备了含多孔结构的聚酰亚胺复合薄膜,研究了多孔复合薄膜的成膜条件对其形貌和抗湿性能的影响。结果表明:聚酰亚胺多孔结构的引入使复合薄膜的接触角增加,疏水性增强,吸水率显著降低,在潮湿环境中介电常数的增量较小,复合薄膜的形貌和吸水性能还可通过改变成膜条件进行调节,进而满足不同领域的需求。     

方波脉冲电压下温度对聚酰亚胺薄膜电气绝缘特性的影响

为了研究温度尤其是高温对变频牵引电机绕组匝间绝缘材料电气绝缘特性的影响,以聚酰亚胺纳米复合薄膜为研究对象,测试了薄膜的介电温度谱,研究了方波脉冲电压下温度θ对薄膜局部放电起始放电电压(partial discharge inception voltage,PDIV)、击穿电压Ub及老化寿命的影响,分析了薄膜在老化期间的空间电荷分布特性。研究结果表明:θ升高,薄膜高分子链热运动加剧,阻碍了分子链极性端基及侧链的取向极化作用,使薄膜的介电常数ε减小;同时,薄膜的介质损耗tanδ也因极化作用的减弱而减小,但因弛豫现象使介质损耗温度谱在110℃处出现1个峰值;θ升高,被陷阱捕获的电子更容易受激发而脱陷,易满足局部放电对初始电子的要求,使PDIV降低;载流子平均自由程增大,载流子能量增强,对薄膜高分子链的破坏作用加剧,导致Ub降低。空间电荷分布特性研究表明:θ升高,载流子能量增大,加速了薄膜高分子链降解并生成小分子及自由基,增大了薄膜的陷阱密度,载流子频繁地入陷与脱陷,进一步加剧了高分子的降解,使薄膜老化寿命明显缩短。研究为优化变频牵引电机绝缘系统的设计奠定了基础。     

潮湿环境对牵引电机定子绕组绝缘性能影响研究

为了研究潮湿环境对牵引电机定子绝缘性能的影响,本文以牵引电机新造定子绕组和检修定子绕组绝缘系统为研究对象,对绕组及其端部分别进行了湿热试验,测试了绕组绝缘系统吸潮前后绝缘性能的变化,分析了湿气向绝缘系统渗透的主要途径。结果表明：定子绕组绝缘系统受潮后会使其绝缘电阻下降,潮湿环境下最薄弱部分为端部联线焊接绝缘,是湿气向绝缘系统渗透的主要途径,该湿气通道一旦形成湿气容易被烘干,但在潮湿环境下湿气又会进入通道使绝缘电阻下降,长期运行后潮湿会导致定子绕组的绝缘性能下降。     

氟化时间对聚酰亚胺薄膜空间电荷分布的影响

聚酰亚胺薄膜作为一种综合性能优异的绝缘材料,被广泛应用于超导电缆等电气电子设备。然而,薄膜积累的空间电荷会引发电场畸变,进而影响材料的老化、极化、击穿等特性。已有研究表明表面氟化能改变聚酰亚胺表层结构,从而影响电荷注入和积累。为探究氟化对聚酰亚胺薄膜空间电荷分布的影响,使用热脉冲法(TSM)研究了氟化时间为0、15、30、45和60 min且厚度为25μm的纯、耐电晕和双层纯聚酰亚胺薄膜试样的空间电荷分布现象。研究结果表明:对于纯聚酰亚胺薄膜试样,氟化时间为45 min时空间电荷积聚最少;对于耐电晕聚酰亚胺薄膜试样,空间电荷在纳米粒子与氟化层的双重作用下随着氟化时间的增长而逐渐减少;同样氟化时间的纯聚酰亚胺薄膜试样与耐电晕聚酰亚胺薄膜试样相比,耐电晕聚酰亚胺薄膜试样的空间电荷积累更少;对于双层纯聚酰亚胺薄膜试样,界面两侧薄膜的表面特性差别对空间电荷积聚有重要影响,且可有效屏蔽电子的注入。由此可得结论:空间电荷分布与积累情况随氟化时间不同而不同,适当的氟化程度能有效抑制空间电荷积累并提高超导电缆绝缘性能。     

电热作用下聚酰亚胺绝缘的电荷陷阱及微观特性

聚酰亚胺因其良好的热稳定性和电气绝缘性能常被用作变频电机的绝缘材料,但在使用过程中,其构象缺陷产生的电荷陷阱在外部因素影响下容易引发空间电荷效应,从而加速聚酰亚胺的老化。为此基于密度泛函理论和分子动力学模拟了电热作用下聚酰亚胺分子的微观行为,深入分析了聚酰亚胺分子的电荷陷阱参数,并运用过渡态理论和自由能增量讨论了分子微观特性与电老化反应之间的联系。结果表明：电场在0.1×10¹⁰～0.4×10¹⁰ V/m时,聚酰亚胺分子沿电场定向运动,其结构有序排列,当电场为0.5×10¹⁰ V/m时,分子形态不再保持,造成自由体积重排,这是由于电场力超过了聚酰亚胺分子间相互作用力。聚酰亚胺分子的能带在外加电场下发生倾斜,其电荷陷阱深度随场强的增大而逐渐加深。温度作用下聚酰亚胺体系热运动加剧,分子链段运动空间舒张,相较于电场,温度的升高使陷阱能级整体呈现下降趋势,电荷在高温下更容易脱陷。电老化反应遵循过渡态理论,电场改变聚酰亚胺分子微观结构会增加分子振动频率从而引起自由能增量的变化,使得分子体系内部老化反应速率加快,研究发现聚酰亚胺体系...     

碳化硅表面改性对固体绝缘介质表面电荷聚散特性的影响研究

为了揭示涂覆碳化硅对固体绝缘介质表面电荷聚散特性的影响机制,本研究建立了基于静电探头的固体绝缘表面电荷的测量实验平台,通过对表面涂覆碳化硅的PMMA试样进行测定,获取了不同条件下固体绝缘介质的表面电荷分布特性。结果表明:涂覆碳化硅对绝缘材料表面电荷积聚的影响较小,而当碳化硅含量超过45%时,绝缘材料表面电荷消散速率明显加快,且由于碳化硅体积电导率与外加电场存在非线性关系,阈值电场随着涂覆碳化硅含量增加而降低,在涂覆较高含量碳化硅后,固体绝缘材料因积聚一定量的表面电荷使其表面等效电导率明显提升,表面电荷消散速率加快,对固体绝缘介质表面积聚的电荷起到了调控作用。     

热老化下双层聚酰亚胺薄膜绝缘特性研究北大核心CSCD

为研究热老化下介质直流和操作冲击结果的演变规律及其影响机制,文中以热老化处理的(190℃,220℃)双层聚酰亚胺薄膜(PI)为研究对象,采用等温松弛电流法(IRC)对不同热老化程度介质的空间电荷特性进行研究,基于双极性电荷输运模型(BCT),仿真研究陷阱密度对直流击穿结果的影响机制。基于局域态电荷吸收能量的频率依赖模型,数值分析空间电荷和介电参量对冲击击穿结果的影响机理。结果表明,随着热老化时间增加,介质陷阱密度逐渐减小,电荷注入效应增强,介质内部的电场畸变程度增大,故直流击穿场强逐渐下降;中低频区域介质tanδ值逐渐升高,局域态电荷的能量吸收能力增强,其更容易从陷阱逃脱,对绝缘结构产生破坏,导致冲击击穿电压逐渐下降。提高热老化温度后,上述现象更加严重。     

低温等离子体处理对聚酰亚胺纳米复合薄膜表面特性的影响

本文利用介质阻挡放电(DBD)试验平台产生低温等离子体,用低温等离子体改性聚酰亚胺(PI)纳米复合薄膜,对低温等离子体改性前后的纳米复合薄膜进行表面形貌、化学键结构、表面电导及耐电晕性能测试,研究薄膜表面特性的变化规律.结果表明:表面改性后,纳米复合薄膜表面逐渐变粗糙,并出现微孔、不连续凸起物.合理的等离子体改性时间可以在薄膜表面引入极性基团.随着改性时间的增加,接触角逐渐减小,表面能和表面电导率逐渐加大,耐电晕寿命增加到一定程度随后逐渐减小.当等离子体改性时间为10 s时,改性后的纳米复合薄膜的耐电晕寿命比未改性的纳米复合薄膜提高了15.7％.经过低温等离子体改性后,纳米复合薄膜表面相比纯PI薄膜表面更加均匀,改性后的纳米复合薄膜具有表面能小、表面电导率大的特性.较大的表面电导率会加快纳米复合薄膜表面电荷消散的速度,避免局部场强的集中产生表面放电,从而提高了薄膜的耐电晕寿命.要获得相同的改性效果,纳米复合薄膜需要的低温等离子体处理时间比纯PI薄膜稍长.     

固体绝缘表面电荷对不均匀电场直流放电特性的影响

研究了固体绝缘表面电荷对不均匀电场直流电晕起始电压、伏安特性的影响。提出了确定最低直流闪络电压的实验方法,并分析沿面闪络过程受表面电荷的影响及其机理,对电气设备绝缘系统设计有实际意义。     

无机纳米掺杂对聚酰亚胺绝缘性能影响

为了研究无机纳米粒子掺杂对聚酰亚胺(polyimide,PI)绝缘性能影响,文中利用原位聚合法制备了PI、10%(质量百分数)的PI/SiO_2膜和PI/Al_2O_3膜,测试了其电导率(表面、体积电导率)、热失重(TGA)以及击穿场强,并得到了方波脉冲电压下耐电晕时间随温度的变化曲线。结果表明:PI/SiO_2膜、PI/Al_2O_3膜、PI膜的电导率依次降低,而击穿场强则相反;当失重5%时,PI/Al_2O_3膜和PI/SiO_2膜的热分解温度比纯PI膜分别高了17.5℃和11℃。随着温度的升高,3种薄膜的耐电晕时间都在减小,且2种纳米膜的耐电晕时间都高于纯PI膜;当温度小于210℃时,由于PI/SiO_2膜的电导率最高,所以其耐电晕时间最长;当温度大于210℃时,由于PI/Al_2O_3膜的热导率最高以及热稳定性最好,所以其耐电晕时间最长。无机纳米粒子引入的有机—无机界面以及纳米粒子的高热稳定性是影响PI膜绝缘性能的主要原因。研究为变频电机的匝间绝缘水平的提高提供了理论依据。     

等离子体改性对环氧树脂材料表面电荷动态特性的影响

等离子体对环氧树脂材料的表面改性在未来高压输电设备制造有着广泛的应用前景,基于此,采用次大气压辉光放电等离子体处理环氧树脂材料,通过表面电荷测量系统测量表面电位值、表面(体)电导率、闪络电压等手段分析改性表面电荷动态特性。实验结果表明:等离子体对环氧树脂材料的改性处理能有效加快其表面电荷的消散;改性处理后的材料表面电位衰减加快、沿面闪络电压升高;从陷阱能级分布曲线可知,陷阱能级变浅,密度变大,且随着改性时间增长,浅能级深度陷阱密度减小。此外,处理后材料的表面电导率升高一个数量级,体电导率无明显变化。分析表明:一方面浅陷阱能级不利于电荷被材料表面的陷阱所捕获,但有利于被捕获电荷的脱陷;另一方面,材料表面电导率的升高加快了表面电荷沿面迁移的速率。在这两方面的共同作用下,处理后环氧树脂材料表面电荷消散加快,绝缘性能提高。     

大气相对湿度对聚酰亚胺薄膜表面电晕特性及老化过程的影响

在不同的大气相对湿度(RH)下,聚酰亚胺薄膜的电晕耐受能力具有显著差异,为了掌握相对湿度对薄膜表面电晕特性及老化过程的影响,本文对不同RH下薄膜的电晕放电过程、电学变化及表面形貌进行跟踪监测,获得了RH对薄膜电晕老化的影响规律.结果表明:随着RH的升高,正、负半周放电活跃程度呈现相反的变化趋势;在RH≤69％时,放电量和放电频次随电晕时间表现为快速增长阶段、平稳阶段和二次发展阶段,当RH达到84％时,两者随时间呈线性增加趋势;薄膜含水量变化率(Δwt％)在电晕老化初期提高较为明显,而在中后期趋于平稳,当RH达到84％时,Δwt％随老化时间线性上升;分析表明,电晕放电对薄膜表面的电热损伤是表面电阻率(ρs)快速下降的主要原因,随着电晕侵蚀,水分缓慢渗入,最终导致体电阻率(ρv)的剧烈下降直至击穿.     

方波脉冲下纳米氧化硅掺杂对聚酰亚胺绝缘性能的影响

聚酰亚胺纳米复合薄膜(polyimide,PI)广泛应用于电机绝缘。方波脉冲下的局部放电是变频电机绝缘失效的主要原因之一。为了研究高频脉冲电压下PI膜的老化,探讨纳米粒子在PI膜中的作用机理,文中将粒径为30 nm的Si O2无机填料掺杂到PI膜中。利用场发射扫描电镜(SEM)观察纳米Si O2在PI膜中的分散情况,并在方波脉冲电压下对复合薄膜进行了耐压和耐电晕实验,最后运用纳米复合3层结构解释了PI膜绝缘破坏的过程。研究结果表明:纳米粒子均匀分散到PI基体中,纳米Si O2的加入可以提高PI膜的电导率和介电常数,影响电子迁移率;PI/Si O2膜耐压特性随着Si O2纳米粒子体积分数的增加先增强后减小,在体积分数为5%时达到最大值。耐电晕特性随着Si O2纳米粒子体积分数增加而上升。Si O2纳米粒子会在试样中产生大量的有机—无机界面以及复合结构,影响了电子在介质中的作用机理,导致PI膜绝缘性能发生改变。     

重频纳秒脉冲电压下聚酰亚胺薄膜层叠结构的绝缘特性

为提高脉冲功率技术中绝缘结构的绝缘性能,延长设备使用寿命,研究了重频纳秒脉冲电压作用下,多层绝缘薄膜层叠结构的绝缘特性,采用上升时间为115 ns、脉宽为225 ns的重频源,在重复频率为1 kHz的条件下,对比了不同厚度和层叠数的聚酰亚胺单层膜和多层膜的短时击穿场强和长时耐受脉冲数,建立了重频纳秒脉冲电压下1 500...