微纳米SiO_2/低密度聚乙烯复合材料的空间电荷性能

高压直流绝缘材料中空间电荷积聚限制了直流输电的发展。为探讨微米SiO_2、纳米SiO_2、微纳米SiO_2及制备工艺对SiO_2/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料空间电荷特性的影响。分别利用SEM、FTIR和DSC等对不同SiO_2/LDPE复合材料的微结构、结晶特性等进行了表征,利用热刺激电流(TSC)法研究其陷阱特性,通过电声脉冲(PEA)法研究其空间电荷特性。结果表明:SiO_2的引入使LDPE的晶粒尺寸减小,结晶度提高;SiO_2/LDPE复合材料的TSC曲线所包络面积增大,微米SiO_2的引入使TSC峰向低温方向偏移,而纳米SiO_2的引入使TSC峰向高温方向移动;SiO_2/LDPE复合材料表现出对空间电荷不同程度的抑制作用。微纳米SiO_2/LDPE复合材料的制备工艺对其性能有一定的影响,以母料形式制备微纳米SiO_2/LDPE复合材料时,其性能与后加入无机颗粒对应的SiO_2/LDPE复合材料更接近。     

纳米SiO2分散性对SiO2/LDPE纳米复合材料直流介电性能的影响

SiO₂/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的介电性能与纳米SiO₂在LDPE基体中的分散性密切相关。为研究室温下拉伸处理对纳米SiO₂颗粒在LDPE基体中分散性的作用机制,本文选取7 nm粒径的疏水型纳米SiO₂与LDPE熔融共混制备SiO₂/LDPE纳米复合材料。将制备好的纳米复合材料经过三次拉伸处理,利用SEM、DSC表征纳米粒子的分散性及复合材料的结晶度,利用热刺激电流法(TSC)测试分析复合材料的陷阱能级和陷阱密度。通过对纳米复合材料的空间电荷,电导电流,直流击穿强度进行实验测试,研究了拉伸对纳米粒子分散性的影响及其所导致的直流介电性能的改变。结果表明室温下拉伸有助于纳米粒子的分散,使纳米SiO₂粒子的团聚尺寸从200 nm左右缩减到100 nm左右;但拉伸会破坏LDPE的结晶结构,劣化其性能;通过掺杂纳米SiO₂引入深陷阱能级可以改善LDPE的直流介电性能。经过拉伸的SiO₂/LDPE的空间电荷积累得到...     

无机纳米ZnO或蒙脱土颗粒掺杂对低密度聚乙烯介电性能的影响

选择在低密度聚乙烯（LDPE）中掺杂无机纳米ZnO和蒙脱土（MMT）颗粒,探讨不同形态无机纳米颗粒对LDPE介电性能的影响。利用熔融共混法配合不同冷却方式制备不同结晶形态的纳米ZnO/LDPE和MMT/LDPE复合材料。通过FTIR、偏光显微镜（PLM）、SEM、DSC和热刺激电流（TSC）对试样进行表征,并。研究了纳米ZnO/LDPE和MMT/LDPE复合材料的交流击穿特性,结果表明：掺杂适当质量分数并经表面修饰的无机纳米颗粒可有效的避免其团聚现象,提高纳米ZnO/LDPE和MMT/LDPE复合材料的结晶速率,使结晶结构更完善,同时无机纳米颗粒掺杂使LDPE的陷阱密度和深度均有所增加,载流子入陷在试样内部形成界面"局域态"。经油冷却方式制备的纳米ZnO/LDPE和MMT/LDPE复合材料击穿场强比空气自然冷却分别高13.6%和14.4%,当掺杂纳米粒子质量分数为3wt%时,复合材料击穿场强出现最大值,其中纳米ZnO/LDPE复合材料比MMT/LDPE复合材料的击穿场强值高0.68%;电导率试验结果表明：纳米ZnO/LDPE复合材料电导率比MMT/LDPE复合材料低。介电性能测试表明,在1~10⁵ Hz的测试频率范围内,纳米ZnO/LDPE复合材料和MMT/LDPE复合材料介电常数降低,介质损耗角正切值有所提高。     

纳米ZnO/低密度聚乙烯复合材料的介电特性

为探讨纳米ZnO/低密度聚乙烯（LDPE）复合材料的介电特性,首先,采用硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂对纳米ZnO进行改性,并利用两步法制备了不同纳米ZnO质量分数、不同纳米ZnO粒径、不同纳米ZnO表面修饰方式和不同冷却方式的纳米ZnO/LDPE复合材料;然后,通过FTIR、SEM、DSC和热激电流（TSC）测试了纳米ZnO在基体中的分散情况、复合材料的等温结晶过程参数变化及陷阱密度;最后,在不同实验温度下分别进行了交流击穿、绝缘电导率、介电常数和空间电荷实验。结果表明:纳米ZnO的加入使纳米ZnO/LDPE复合材料内部陷阱深度和密度均有所增加;当纳米ZnO的粒径为40 nm且质量分数为3%时,复合材料的结晶速度最快,纳米ZnO在基体中的分散性较好,击穿场强达到最高值133.3 kV/mm,电导率及介电常数也相对较低,加压时复合材料内部空间电荷少,短路时释放电荷速度快,介电性能较好;由于纳米粒子增加了材料内部的热传导速率,降低了复合材料随着温度升高而降解的速度,因而相对于纯LDPE,随着实验温度的提高,纳米ZnO/LDPE复合材料的击穿场强下降幅度及电导率上升幅度均较小。      

纳米SiO2/低密度聚乙烯复合材料的陷阱特性与电击穿机制

以低密度聚乙烯（LDPE）为聚合物基体,通过熔融共混的方式填充不同粒径的纳米SiO₂无机颗粒,制备纳米SiO₂/LDPE复合材料,研究提高聚乙烯电绝缘性能的纳米改性方法和机制。利用SEM表征纳米SiO₂在LDPE基体中的微观形态和分散程度,采用DSC和偏光显微镜（PLM）分析纳米SiO₂对LDPE基体结晶度和结晶形态的影响,通过热刺激电流法（TSC）分析纳米SiO₂/LDPE复合材料的陷阱密度和陷阱能级,并结合电击穿的Weibull分布研究纳米复合材料的击穿机制。研究结果表明:纳米SiO₂填充可以改变复合材料结晶度,进而增加LDPE基体本征结构缺陷和陷阱密度,同时填充纳米SiO₂颗粒可引入比LDPE基体本征陷阱更深的陷阱能级,纳米SiO₂填充颗粒引入的陷阱能级深度随着复合材料结晶度的增加而先增大后减小,填充浓度3wt%时可最有效地通过俘获载流子而抑制电击穿过程,纳米SiO₂/LDPE复合材料的击穿场强达到最高值。与60 nm SiO₂颗粒相比,30 nm SiO₂填充颗粒具有更高的比表面积,界面电极化导致更高的介电常数,更高密度的纳米界面深陷阱态对于提高电击穿场强更有效。当填充浓度为5wt%时,纳米颗粒的团聚作用导致纳米复合材料的击穿强度降低。基于电双层理论提出了电子捕捉模型和界面结构模型,合理阐释了纳米SiO₂/LDPE复合材料的微观陷阱特性及宏观电击穿机制。      

深度混炼对纳米SiO2/低密度聚乙烯复合材料分散性与直流电性能影响

利用同向平行双螺杆挤出机对纳米SiO₂/低密度聚乙烯（LDPE）复合材料进行深度混炼,采用SEM、直流击穿强度试验及变温空间电荷试验研究了该工艺对纳米SiO₂/LDPE复合体系中纳米SiO₂颗粒分散性、直流击穿强度和空间电荷特性的影响,综合评估了纳米SiO₂颗粒分散性改善和纳米SiO₂/LDPE复合材料熔融状态下机械剪切降解对电性能的影响。结果表明,随着混炼次数的增加,纳米SiO₂颗粒在LDPE中分散的更加均匀;深度混炼与单次混炼相比,SiO₂/低密度聚乙烯复合材料直流击穿强度上升,室温下达到433.1 kV/mm;随着混炼次数的增加,SiO₂/低密度聚乙烯复合材料低温时抑制空间电荷能力变强,但60℃以上高温时抑制能力变差。混炼次数的增加改善了纳米SiO₂颗粒的分散性,使其与LDPE基体的界面增多,同时,纳米SiO₂颗粒还使SiO₂/低密度聚乙烯复合材料的片晶厚度增大,结晶度升高,界面区和力学性能都随着分散性改善而增加和增强,两者共同促进了SiO₂/低密度聚乙烯复合材料电学性能的改善。但是由于深度混炼引发了材料降解,结构缺陷的增多影响了纳米SiO₂/LDPE复合材料高温区的空间电荷抑制性能。     

纳米MgO/低密度聚乙烯高压直流电缆复合材料的制备与性能

通过热处理方法得到表面不含羟基(—OH)的纳米MgO颗粒, 采用母料法制备了10wt% 纳米MgO/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料, 研究了纳米MgO/LDPE复合材料在70 kV/mm直流电场下的空间电荷特性, 评估了该方法对纳米颗粒分散的效果及工业化应用推广价值。结果表明:表面羟基化对纳米MgO/LDPE复合材料变温体积电阻率及介电特性的影响不大, 空间电荷积累量增加。当纳米MgO 掺杂量为1wt%时, 复合材料的电性能最佳。      

多层介孔纳米MgO/低密度聚乙烯复合材料的制备及其绝缘性能

塑料高压直流电缆在电力输运中,绝缘层容易发生电子及空穴注入并局部积聚,形成空间电荷包,长期运行容易引发绝缘失效。为此,抑制电子及空穴的注入、积聚,防止空间电荷包的产生是制备塑料高压直流电缆的关键技术。通过制备多层介孔结构纳米MgO,采用低沸点溶剂法,实现了纳米MgO在低密度聚乙烯(LDPE)中的均匀分散。研究了1wt%纳米MgO/LDPE复合材料的空间电荷行为、直流击穿强度、热刺激电流及介电特性。结果表明:添加1wt%纳米MgO的LDPE在70 kV/mm电场下有效地抑制了空间电荷积聚,提高了直流击穿强度,降低了介电常数;热刺激电流研究表明纳米MgO形成了新的陷阱,有效捕获了载流子,形成独立电场,避免了局部有效电场,形成新的势垒,抑制了电极载流子的注入,最终抑制了空间电荷积聚。      

纳米ZnO和纳米MMT对低密度聚乙烯介电性能的影响

分别采用添加纳米ZnO和纳米蒙脱土(MMT)粒子的方法提高低密度聚乙烯(LDPE)的介电性能,选择偶联剂对纳米粒子进行表面修饰,并利用熔融共混法制备了纳米ZnO/LDPE和纳米MMT/LDPE复合材料,通过XRD、FTIR和DSC对试样进行表征。研究了复合材料的交流击穿特性,对试样进行了空间电荷试验。结果表明:通过偶联剂修饰,纳米粒子与聚合物之间的界面结合得到改善,且纳米粒子在基体中的分散性更好;同时复合材料的结晶速率提高,结晶结构更完善;添加纳米粒子可以不同程度地提高LDPE的击穿场强,当纳米ZnO和纳米MMT的质量分数均为3wt%时,复合材料的击穿场强达到最大,分别比纯LDPE的击穿场强高出11.0%和10.3%;纳米ZnO和纳米MMT都有抑制空间电荷的作用,且ZnO的抑制效果更明显。     

冷却方式对MMT/LDPE介电性能的影响

采用熔融插层法制备了蒙脱土/低密度聚乙烯(MMT/LDPE)纳米复合材料, 探讨空气自然冷却、空气快速冷却、水冷却和油冷却四种制备工艺对复合材料介电性能的影响。利用XRD、FTIR、AFM、PLM、DSC和TSC等分别对复合材料和纳米MMT粒子的微观形态、复合材料的电导、击穿、介电频谱和空间电荷特性进行表征。结果表明, 经表面修饰的纳米MMT粒子在基体聚合物中已经剥离并均匀分散; 不同冷却方式对复合材料的结晶度有一定的影响, 其中油冷却试样结晶速率最高, 结晶尺寸最小; 纳米MMT的加入使复合材料内部陷阱密度和深度均有所增加, 且试样的介电性能有不同程度的改善。油冷却试样抑制空间电荷的作用比较明显, 在20和40 kV/mm的场强下, 试样中正电荷的峰值与空气自然冷却试样相比分别下降了63.57%和51.39%; 且油冷却试样的电导率最小, 击穿场强值最大; 在1~10⁵ Hz的测试频率范围内, 与空气自然冷却试样相比, 其他三种试样的介电常数和介质损耗角正切值都有不同程度的降低。     

纳米粒子在SiC/PTFE复合材料中分散三维仿真与分形表征

为了从理论上探讨纳米粒子在基体材料中的分布规律, 以纳米SiC质量分数为3%、 5%、 7%、 9%的SiC/PTFE(聚四氟乙烯)复合材料为例, 根据纳米SiC的半径(25 nm)、 密度(3.2 g/cm³)、 质量分数和基体材料的密度(2.2 g/cm³), 以10^-12 g为质量单位、 25 nm:1像素为比例尺, 建立了纳米粒子在基体中均匀／偏聚分布的三维仿真模型, 基于其盒维数定量表征了不同团聚／偏聚程度的纳米粒子的分散度, 并进行了力学实验验证。结果表明: 均匀分布下随着纳米SiC粒子半径的不断增加, 或体积分数的不断减小, 其盒维数也逐渐减小; 当SiC粒子半径超过100 nm时, 不再具有分形特性。偏聚分布下随着纳米SiC粒子(半径为50 nm)间距的不断加大, 或体积分数的不断减小, 或层状、 线状、 团状分布的依次改变, 其盒维数也逐渐减小; 相同体积分数下偏聚分布的盒维数低于均匀分布; 当粒子间距超过450 nm时, 不再具有分形特性。均匀分布下纳米SiC/PTFE复合材料的力学性能测试结果与其三维仿真模型的盒维数线性相关(|R|>0.9)。盒维数可定量表征纳米粒子的分散度, 并可用于预测纳米复合材料的宏观性能。     

歧化反应及置换反应制备Cu/纳米SiC复合粉体

为了实现Cu对纳米SiC的表面包覆改性,分别采用歧化反应和置换反应两种方法制备了Cu/纳米SiC复合粉体.利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和能谱仪研究了Cu/纳米SiC复合粉体的微观形貌、聚集状态、粒径以及Cu和纳米SiC的质量分数.实验结果表明:单个复合粒子的粒径约为100 nm;针对随机选择的两种方法制备的复合粉体的两个不同区域进行的分析表明,歧化反应条件下Cu的质量分数分别为37%和35%,成分均匀;置换反应条件下Cu的质量分数分别为79%和25%,成分差异大.歧化反应法比置换反应法的包覆效果好,实现了Cu对纳米SiC的均匀性包覆.