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。     

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。     

基于α松弛分析CB/LDPE纳米复合介质空间电荷特性

分别以导电炭黑(C-CB)和绝缘炭黑(I-CB)作为纳米填充相,研究不同性能炭黑(CB)对低密度聚乙烯(LDPE)空间电荷特性的影响。采用多种测试方法对CB微观形貌和表面化学特性进行表征。利用电声脉冲(PEA)法测量LDPE及其纳米复合介质的空间电荷分布,并结合动态机械分析法(DMA)和热刺激电流法(TSC)探索CB改善LDPE空间电荷特性的作用机理。结果表明:C-CB比I-CB具有更长的链状结构和较少的表面基团,可与LDPE产生更强的相互作用;C-CB/LDPE和I-CB/LDPE纳米复合介质均能够有效地抑制空间电荷积聚,其中前者的空间电荷抑制能力更强。分析认为复合介质空间电荷性能改善是由于CB与LDPE相互作用,减少了参与α松弛的分子形成的缺陷数量,降低了LDPE内的陷阱密度。     

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。     

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。     

纳米碳化硅/低密度聚乙烯复合材料的空间电荷分布特性

空间电荷的积聚会引起局部电场的畸变,从而引起局部放电(PD)和电树枝的产生与发展,成为导致聚合物绝缘性能降低的重要因素。针对此问题,采用电声脉冲(pulsed electro-acoustic,PEA)法研究了利用不同偶联剂(包括KH-560偶联剂和A-171偶联剂)进行表面改性后的纳米SiC添加到低密度聚乙烯(LDPE)中所制备得到的SiC/LDPE复合材料的空间电荷分布。实验结果表明,纳米SiC粒子与LDPE本体之间的界面是陷阱的主要来源,添加纳米粒子对同极性电荷的注入具有一定的抑制作用;而偶联剂对陷阱的性质和能级有重要的影响,不同复合材料的空间电荷分布是不同的,KH-560SiC/LDPE复合材料中存在大量正极性亲和性的深陷阱,而A-171SiC/LDPE复合材料中则分布大量正极性亲和性的浅陷阱,从而影响载流子迁移,改变原有LDPE的介电性能。分析认为此现象源于不同偶联剂的分子结构差异,含有不对称侧链和端基的KH-560偶联剂更容易产生深陷阱,而含有烯烃结构的A-171偶联剂则容易产生浅陷阱。     

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。     

纳米氧化锌/聚乙烯复合材料中空间电荷及体积电阻率的研究

以溶融共混法制备了纳米氧化锌(ZnO)/低密度聚乙烯(LDPE)的复合材料,采用电声脉冲法和高阻计法分别测量了不同纳米ZnO含量试样中的空间电荷分布和体积电阻率。实验发现,试样中的空间电荷分布明显不同于纯聚乙烯。当试样中纳米ZnO含量为0.5%时,短路过程中空间电荷衰减很快;当纳米ZnO含量进一步提高时短路过程中空间电荷衰减比纯聚乙烯的缓慢。同时发现加入纳米ZnO后复合材料的体积电阻率上升。讨论了纳米ZnO对试样中空间电荷形成和导电机理的影响。     

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。     

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。     

冷却介质对低密度聚乙烯空间电荷输运特性的影响

低密度聚乙烯是高压电力电缆的主要绝缘材料,空间电荷被认为是影响电力电缆绝缘安全可靠性的关键因素之一。为此,选用冰水、空气和硅油3种不同冷却方式对聚乙烯试品进行淬火处理,采用电声脉冲法测量系统对聚乙烯试品中空间电荷的消散特性进行了测试,并结合阶梯式升压试验测定空间电荷阈值场强,根据空间电荷限制电流理论推导出总电荷量与电荷迁移率,采用差示扫描量热法分析了试样的结晶度和晶粒尺寸均匀性。试验与分析结果表明:硅油冷却聚乙烯电荷视在迁移率大于冰水、空气冷却试样;3种试样中,硅油冷却聚乙烯结晶度较高,晶粒尺寸分布较均匀,阈值场强较高,而冰水冷却聚乙烯结晶度、晶粒分布均匀性与阈值场强较低。     

伽马射线对低密度聚乙烯的空间电荷陷阱特征影响

为研究伽马射线辐照后的低密度聚乙烯材料在直流电场作用前后的空间电荷形成和衰减的陷阱特征,在60Co伽马射线的辐照源下得到最大辐照剂量为50 kGy的聚乙烯样品,利用电声脉冲法测量其空间电荷分布,进而提出了一种离散陷阱分布模型来解释射线辐照的空间电荷衰减特征。结果表明:在阴极附近出现异号的正电荷积累并随着辐照剂量增加而增加;分析认为射线辐照后样品出现的异号正电荷是由于材料发生了化学变化(氧化)而导致更深能级陷阱的产生;同时,利用所提出的模型计算了陷阱的能级深度和陷阱密度参数,并分析了它们与辐照氧化的微观机制。由陷阱能级和陷阱密度围成的曲线族变化可作为材料辐照老化的特征参量。     

纳米SiO2/低密度聚乙烯复合介质的击穿特性

聚合物纳米复合介质的击穿强度与纳米填充颗粒的质量分数、粒径和表面处理密切相关。以不同表面处理的纳米SiO2颗粒为填料,制备了不同填充质量分数、粒径的纳米SiO2/低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)复合介质,测试了其在交流、直流正极性和直流负极性3种不同类型电场下的击穿场强。结果表明:在所研究范围内,填充纳米SiO2颗粒可以提高低密度聚乙烯的击穿场强,并且随着填充质量分数的增加,复合介质的击穿场强有升高的趋势。纳米颗粒填充质量分数相同时,在12~16 nm粒径下,复合介质的击穿场强有随纳米SiO2粒径的升高而降低的趋势;在7 nm小粒径下,可能由于纳米颗粒容易团聚,导致击穿场强较粒径大时要低。另外,纳米SiO2颗粒表面经疏水性处理后,能够有效提高复合介质的击穿场强。     

纳米SiO_2/芳纶绝缘纸复合材料的空间电荷特性和介电性能

为提高油纸绝缘系统的绝缘寿命,提出将纳米SiO_2粒子改性的芳纶绝缘纸应用于直流输变电设备的方法。在加压和去压短路条件下,测试了不同纳米SiO_2含量的芳纶绝缘纸试样的空间电荷特性、热刺激去极化电流、直流击穿强度和体积电阻率。结果表明:添加纳米SiO_2使芳纶绝缘纸的线均电荷密度明显低于纯芳纶纸试样;随纳米SiO_2含量的增加,试样平均电荷密度衰减速率呈现先减小后增大的变化趋势;SiO_2的添加增加了芳纶纸内部深陷阱和浅陷阱的密度;纳米SiO_2含量为1wt%时直流击穿强度最大;芳纶纸的体积电阻率随纳米SiO_2含量增加呈单调递增趋势。机理分析表明纳米SiO_2粒子浓度过高时,其分散性变差导致其对芳纶纸性能的改善作用变弱。     

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。     

空间电荷测量表征聚乙烯中电荷输运特性

通过电声脉冲(PEA)法测量了低密度聚乙烯(LDPE)在不同场强作用下的去极化特性。根据空间电荷限制电流(SCLC)理论,通过公式推导求解了聚乙烯的平均电荷体密度、视在迁移率、陷阱深度分布及阈值场强。结果表明聚乙烯中的陷阱或缺陷,即其微观形态与宏观上空间电荷的分布密切相关。