聚丙烯/Al_2O_3纳米复合介质直流击穿特性与电荷输运仿真研究

聚丙烯以其优异的电气性能被广泛用于电力电容器,并且是一种潜在的环保型高压直流电缆绝缘材料。直流电压作用下的空间电荷注入和积聚特性是绝缘介质电击穿的重要因素。为研究击穿特性与电荷输运的关联,分别制备掺杂质量分数为1%、7%和15%的聚丙烯/氧化铝纳米复合介质,测试极化、热刺激去极化电流、高场电导、正电子湮灭和直流击穿特性。实验结果表明:1%质量分数的纳米复合介质的直流击穿场强相较于纯聚丙烯增加,这对应于在1%质量分数的复合介质中较深的陷阱;而7%和15%复合介质的击穿场强和陷阱能级均减小。复合介质的自由体积尺寸未发生明显改变。基于双极性电荷输运模型,仿真计算空间电荷和电场畸变特性随陷阱能级和升压时间的动态演变过程。仿真结果表明,在较大的陷阱能级时的注入电荷密度和电场畸变率均减小;电荷向介质体内的迁移深度在较大的陷阱能级时变浅;随着加压时间的增加,在电场达到一定阈值后的电荷注入和电场畸变才较为明显。深陷阱捕获载流子后形成的同极性电荷积聚和抑制的载流子迁移率均有利于直流击穿性能的提升。     

表面氟化对潮湿环境下聚酰亚胺薄膜绝缘性能以及表面电荷动态特性影响的研究

为增强聚酰亚胺薄膜在潮湿环境中的绝缘性能,基于聚合物表层分子结构改性技术对聚酰亚胺薄膜进行表面氟化处理15、30、45、60 min,并将其浸泡于高纯水中6、12、24 h,比较氟化前后聚酰亚胺薄膜的吸水性能和表面电荷消散特性,分析表面氟化时间对聚酰亚胺薄膜吸水特性的影响机理以及氟化、吸水共同作用下表面电荷动态特性变化机理。结果表明:氟化处理聚酰亚胺薄膜的吸水率小于未氟化聚酰亚胺薄膜。浸水的氟化聚酰亚胺薄膜的表面电荷消散时间比未氟化聚酰亚胺薄膜的长,击穿电压比未氟化聚酰亚胺薄膜的高。证明表面氟化是一种增强聚酰亚胺薄膜在潮湿环境中耐受能力的一种有效方法。     

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。     

方波脉冲下聚酰亚胺/纳米复合薄膜耐电晕特性研究

本文为探究在方波脉冲下聚酰亚胺(polyimide,PI)/纳米复合薄膜的耐电晕特性,采用原位聚合法制备了纯膜和掺杂纳米氧化铝的复合薄膜,通过傅里叶红外光谱(FTIR)技术分析了薄膜的化学结构,测量了纯膜和纳米膜的表面电阻率,并在重复方波脉冲下进行耐电晕实验,最后运用扫描电子显微镜(SEM)分析电晕击穿前后薄膜的微观形态。实验结果表明:纯膜和纳米膜的耐电晕时间都会随着电压的升高而降低,并且在同一电压下,纳米膜的耐电晕特性优于纯膜。通过测试分析,从纳米粒子和聚合物基体间形成的界面、薄膜表面电荷分布、薄膜试样击穿过程3个方面对纳米薄膜优异的耐电晕特性给出了解释。     

聚酰亚胺/纳米Al2O3复合薄膜的介电性能

为了提高聚酰亚胺(PI)的耐电晕性能,采用原位分散聚合法制备了聚酰亚胺/纳米Al2O3复合材料,并采用透射电子显微镜(TEM)对纳米Al2O3的分散状态进行了表征。研究了纳米Al2O3填加量对该复合材料耐电晕性能和其它介电性能的影响,结果表明,随着纳米Al2O3含量的增加,材料的耐电晕性能显著增强,在±910V(双极性)、15kHz条件下,纳米Al2O3质量分数为20%的PI薄膜的耐电晕寿命达到极大值,为纯PI薄膜寿命的25倍,聚酰亚胺/纳米Al2O3复合材料的体积电阻率和击穿场强没有明显的劣化,而相对介电常数和损耗角正切有所增加。     

聚酰亚胺/纳米氧化铝复合薄膜的研究

采用溶胶-凝胶法制备了聚酰亚胺／A1203,纳米复合薄膜,通过测定胶液在贮存过程中粘度的变化研究了纳米复合胶液的贮存稳定性,采用热失重分析、拉伸强度和体积电阻率等测试方法研究了纳米复合薄膜的性能。结果表明,当A1K）,含量不大于14％时,纳米Alz03前驱体的存在对纳米复合胶液的贮存稳定性影响不大或基本上没有影响;与纯PI薄膜相比,Ah03含量不大于5％时,纳米复合薄膜的表观分解温度、拉伸强度以及常态下的体积电阻率均有明显提高：纳米A120,的存在有利于改善高温电性能。     

聚酰亚胺/纳米二氧化硅复合薄膜的研究

采用溶胶-凝胶法制备了聚酰亚胺／纳米二氧化硅(SiO2)复合薄膜,研究了SiO2含量对复合膜性能的影响。结果表明,复合膜的密度随SiO2含量的增加而增大,与其SiO2含量基本上呈线性关系;与纯聚酰亚胺薄膜相比,复合膜中SiO2含量达到30～40％时,导热系数可提高1倍以上;表观分解温度随SiO2含量的增加先增大后减小,SiO2含量大约在10～20％时达到最大值;SiO2含量不大于10％时,拉伸强度变化不大或略有增加,随着SiO2含量的继续增加,拉伸强度则迅速下降;复合膜常态下的体积电阻率当SiO2含量不大于10％时变化不大,但体积电阻率受湿度影响较大。     

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。     

蒙脱土/聚酰亚胺复合薄膜的电击穿破坏特性

通过在聚酰亚胺基体中引入一定量MMT片层,可以改善薄膜的耐电老化性能,对薄膜电老化前后表面形貌及化学组成的研究结果表明:MMT片层均匀而充分的分散提高了MMT/PI薄膜的耐电弧性,这是聚酰亚胺薄膜电老化性能改善的原因。     

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。     

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.     

蒸镀Al_2O_3复合聚丙烯薄膜及其电容器性能研究

为提升聚丙烯薄膜击穿场强,将氧化铝蒸镀在聚丙烯薄膜表面,形成复合介质薄膜。将蒸镀氧化铝的薄膜进行金属化蒸镀,制成电容器,并对其性能进行测试,结果表明虽然复合薄膜的相对介电常数无明显变化,但电容器的击穿场强上升。复合薄膜电容器具有良好的自愈性能,可实现"隔离自愈",可有效地防止由于出现超限自愈而导致的电容器短路击穿。     

聚酰亚胺/纳米碳化硅复合薄膜的制备及性能研究

以均苯四甲酸二酐、4,4'-二氨基二苯醚、N,N'-二甲基乙酰胺为原料,经化学合成反应制备了聚酰亚胺/纳米碳化硅复合薄膜。采用红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)、阻抗分析仪等手段表征了材料的结构及介电性能。结果表明,该复合薄膜的介电常数比纯聚酰亚胺和碳化硅均显著降低,吸水率下降。这种材料有望替代聚酰亚胺/二氧化硅复合材料,作为低介电常数的微电子介质材料。     

聚酰亚胺/氧化铝复合薄膜在电晕放电下的老化过程及击穿特点

为探讨电晕放电对复合薄膜绝缘的损伤过程,参照GB/T 22689—2008标准,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、红外光谱仪(FTIR)研究了PI/Al_2O_3薄膜在电晕放电下老化至击穿的整个过程。实验结果表明:随着电晕放电时间的延长,电晕破坏区的表面被破坏的越来越严重,表面的有机物逐渐减少,氧化铝越来越多,膨松的氧化铝在表面形成了连续覆盖层。电晕老化击穿后形成的击穿孔为20μm左右的圆形孔洞,定位击穿孔的位置发现击穿孔并不在电晕放电破坏的区域内,而在中心处不易散热的区域,这说明电晕老化击穿并不是传统的电击穿和电化学击穿引起的,而是由于电晕放电产生的热量积累引起材料发生了热击穿。     

聚酰亚胺/氧化硅/氧化铝纳米复合薄膜的制备及性能研究

通过正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷及异丙醇铝在聚酰胺酸的N,N-二甲基乙酰胺溶液中的溶胶凝胶反应,制备了具有一定SiO2和Al2O3质量百分含量的聚酰亚胺复合薄膜。并且分别利用原子力显微镜和傅立叶变换红外光谱对薄膜进行界面形态和微观结构分析。并讨论了无机组分对薄膜的热性能和电性能的影响。结果表明,聚酰亚胺复合薄膜中的无机组分的分散性良好,与聚酰亚胺基体形成了很好的纳米复合体系,经试验研究证明了无机组分的引入大大提高了薄膜的耐局部放电学性能和耐热性能。     

聚酰亚胺/纳米氧化钛复合薄膜的介电性能研究

采用原位分散聚合法制备了聚酰亚胺/纳米TiO2复合材料。通过透射电镜研究了纳米TiO2粒子在聚酰亚胺基体中的分散状态,并在此基础上研究了纳米TiO2填加量对该复合材料介电性能的影响。结果表明,随着纳米TiO2含量的增加,聚酰亚胺/纳米TiO2复合材料的体积电阻率和电气强度出现不同程度的劣化,并造成了介电常数和介质损耗因数的增加,但是材料的耐电晕性能显著增强,在12MV/m的电场强度下,纳米TiO2含量15%的PI薄膜的耐电晕寿命为纯PI薄膜的40多倍。     

三明治结构聚酰亚胺/SiO_2纳米复合薄膜电学性能研究

采用原位聚合法制备了三明治结构的Si O_2纳米掺杂聚酰亚胺(PI)复合薄膜Si O_2-PI/PI/Si O_2-PI。利用透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)表征Si O_2纳米颗粒的分散状态及三层复合薄膜的断面结构,研究三层结构复合薄膜的介电性能、电导率、耐电晕性能和电气强度等电学性能。结果表明:Si O_2纳米颗粒可均匀地分散于聚酰亚胺基体中,三层复合薄膜具有清晰的界面分层;当Si O_2纳米颗粒掺杂量为20%时,三层复合薄膜的耐电晕老化时间最长,分别为纯PI和单层PI/Si O_2复合薄膜的26倍和2倍;当Si O_2纳米颗粒掺杂量为15%时,三层复合薄膜的电气强度达到最大值(280.6 k V/mm)。     

耐高温无色透明聚酰亚胺/SiO_2纳米复合薄膜的合成及性能研究

通过采用硅烷偶联剂连接于独特设计的PI高分子主链,再原位接枝SiO_2纳米粒子的方法,制备了一种耐高温光学透明的半芳香型聚酰亚胺(PI)/SiO_2复合薄膜。结果表明:该PI/SiO_2复合薄膜中的SiO_2在较高的含量下仍能保持良好的分散性。经410℃退火后,PI/SiO_2复合薄膜仍能保持优良的光学性能和热稳定性,其热分解温度(Td)(0.1%失重)高于420℃,玻璃化转变温度(Tg)高于350℃,热膨胀系数与无机玻璃相当。