纳米粒子分散性对SiO_2/LDPE纳米复合介质直流介电性能的影响

纳米复合介质的介电性能与纳米粒子分散性密切相关。选取两种具有不同分散能力的纳米Si O2粉末分别与低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)复合,研究了纳米粒子分散性对纳米复合介质的直流电导电流、空间电荷及直流击穿强度特性影响。应用原子力显微镜的静电力模式观察了Si O2/LDPE纳米复合介质的表面电势分布。结果表明:改善纳米粒子分散性对于抑制SiO 2/LDPE复合介质的直流电导电流,提高空间电荷抑制能力及直流击穿强度有积极影响。通过静电力分析证实了SiO 2/LDPE纳米复合介质中,Si O2粒子与基体聚合物界面存在荷电分布,该荷电分布可对载流子迁移起散射作用,从而降低直流电到电流和提升击穿强度。通过引入观测的界面核电区厚度参数,理论计算证实了改善纳米粒子分散性可增加单位体积荷电域所占的体积分数,且被认为是高分散型Si O2/LDPE纳米复合介质介电性能显著提升的主要原因。

纳米复合聚乙烯材料中的两相界面及其荷电行为

纳米复合聚烯烃绝缘材料有望在未来应用于高压直流电缆的制造,但纳米粒子改善介质电性能的根本机制尚未完全清楚。一般认为,在纳米复合聚烯烃介质中,纳米粒子与聚合物之间形成的两相界面对材料的宏观性能起到了关键性作用。Lewis和Takada分别基于胶体化学和静电学理论提出了不同的纳米复合介质中的界面模型,Tanaka根据经过表面处理的纳米粒子与聚合物基体之间的可能关系,提出了多核模型。这些模型都强调了界面对电荷的存储作用,认为复合介质通过存储电荷来改善介电性能。该文综合了国内外研究人员对纳米复合聚乙烯介质界面区微观表征的一些成果,研究人员的研究成果表明:静电力显微镜、同步辐射小角X射线散射、Zeta电位测量等方法和技术,可以作为探测纳米复合介质中的界面荷电现象的可行的手段。多种方法研究表明:在未经极化的Si O2、Al2O3复合聚乙烯体系中观测到了界面荷电分布,符合Lewis的界面荷电模型;而未经极化的Mg O复合体系中未探测到界面荷电现象。热刺激电流(TSC)测试表明复合体系的共同之处是形成均匀致密分布的深陷阱,而且材料的空间电荷抑制特性与这些深陷阱的存在密切相关。在纳米粒子与聚乙烯的复合物中,不论是纳米粒子与聚乙烯直接接触荷电,还是通过外场极化形成界面荷电,都可以理解成电荷入陷深陷阱,深陷阱界面荷电区激发的库仑场,是体系抑制空间电荷注入与改善直流电性的可能机制。

交联度对交联聚乙烯水树枝老化特性的影响

通过向低密度聚乙烯(LDPE)中加入不同质量分数的过氧化二异丙苯(DCP),制备了不同交联度的XLPE试样,用热延伸实验法对交联度进行表征;利用水刀电极法对试样进行水树枝老化,并采用光学显微镜观测其水树枝的生长形貌;采用差示量热扫描仪(DSC)对试样的结晶度进行测试,并分别通过偏光显微镜(PLM)和扫描电子显微镜(SEM)观察其结晶形貌,研究交联度对交联聚乙烯(XLPE)水树枝老化特性的影响机理。结果表明:提升XLPE的交联度可以显著增强其耐水树枝能力;虽然交联反应抑制了XLPE球晶和片晶的生长,使其结晶度下降,导致无定形区域面积增大,但形成的三维网状结构限制了材料内部水分沿电场方向发生形变挤压形成水树枝的能力,交联度越高,这种抑制能力越强。相比于结晶的影响,三维网状结构对提高材料耐水树枝能力的影响更明显。

聚丙烯/聚烯烃弹性体复合材料物理机械性能及交流电性能

聚丙烯(PP)分别与乙烯-辛烯共聚物(POE)弹性体、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SEBS)熔融共混,制备出不同质量分数的弹性体/PP复合材料。SEM结果表明复合材料微观形貌呈现弹性体均匀分布在PP中构成的"海岛结构",随着复合体系中弹性体含量的增加,岛相浓度与尺寸均增大。DSC结果表明当弹性体含量增加时,复合材料结晶度略有下降。力学测试结果表明165℃下复合材料的热延伸形变量均大于PP的热延伸形变量,且随弹性体含量增加复合材料热延伸形变量逐渐增加。DMA测试结果表明30%质量分数的POE/PP复合材料的25℃弹性模量降低至约750 MPa。交流介电强度测试结果表明不同温度下复合材料交流介电强度均小于PP,其中25%质量分数的SEBS/PP复合材料交流介电强度最接近PP。弹性体/PP复合材料中的"海岛结构"既保留了PP较高温度下的机械强度,又明显降低了PP材料的硬度,增加了韧性和柔顺性。

LDPE试样表面形貌及结晶特性对击穿场强的影响

提高聚合物绝缘材料的耐电强度受长期关注,为此主要探究表面形貌及结晶结构对低密度聚乙烯（LDPE）击穿场强的影响。以聚酯薄膜（PET）和云母（mica）薄片作为压制模具制备LDPE片状试样。原子力显微镜（AFM）测试表明,用具有原子级别平整度的云母压片可以完善LDPE试样的表面形貌,形成规整且尺寸较大的球晶;差示扫描量热法（DSC）测试LDPE试样熔融曲线,结果表明mica制备的试样结晶度比PET压制的高出约24%,且慢速冷却的试样熔融温度较快速冷却的高约3℃。动态力学分析（DMA）测试结果表明,mica使聚乙烯结晶完善,分子刚性增强使松弛损耗峰峰值有所下降,力学松弛峰向高温移动到80℃左右,这也促使耐电强度在高温区显著改变;击穿试验结果表明,mica压制的试样交直流耐电强度皆高于PET制备的试样,在90℃时,mica压制试样慢速冷却的试样交流击穿场强提高了17%;mica表面完善的解理使试样表面粗糙度较PET的有所降低,COMSOL电场仿真表明,其局部电场集中趋于缓解。

500 kV海缆工厂接头绝缘恢复过渡区形成过程及电树枝特性

工厂接头是实现大长度海缆线路的关键技术,其中绝缘恢复工艺对工厂接头的绝缘介电性能及安全可靠运行起着重要的决定作用。首先利用流体仿真技术模拟了500kV交联聚乙烯(XLPE)海缆工厂接头绝缘注入形成过程;构建了透明可视化注塑平台系统,对工厂接头的注塑形成过程进行了物理模拟;探讨了海缆工厂接头绝缘恢复过渡区的形成机理;利用偏光显微镜对500kV海缆工厂接头的过渡区微观形态进行了研究;对500kV海缆本体绝缘、工厂接头恢复绝缘及过渡区的绝缘样品电树枝起树电压及电树枝生长特征进行了试验研究。研究结果表明:模具内注入的低密度聚乙烯熔体流动方向的垂直面上存在一定的速度梯度分布,是导致500 kV海缆模塑接头过渡区形成的重要原因;透明可视化注塑模拟过程与流体仿真注塑过程基本一致,进而验证了熔体流动仿真结果的可靠性;工厂接头的绝缘恢复过渡区的切片样品表面存在大量不规则应力裂痕;典型过渡区样品电树枝形貌显示出异于正常电树枝的生长特征,长宽比接近0.7,且具有不沿电场方向生长的特征;工厂接头过渡区样品的电树枝起始电压对比本体绝缘样品降低约30.76%。

铟磷共掺杂p型氧化锌薄膜形成机理和性质(英文)

利用射频磁控溅射在石英衬底上生长出铟磷共掺氧化锌薄膜(ZnO:In,P),所用靶材为掺杂五氧化二磷(P2O5)和氧化铟(In2O3)的氧化锌(ZnO)陶瓷靶,掺杂质量分数分别为1.5%和0.3%,溅射气体为Ar和O2的混合气体。原生ZnO薄膜是绝缘的, 600℃退火5 min后导电类型为n型,而800℃退火5 min后为p型。p型ZnO薄膜的电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率分别为12.4Ω.cm, 1.6×1017cm-3和3.29 cm2.V-1.s-1。X射线衍射测量结果表明所有样品都只有(002)衍射峰,并与相同条件下生长的未掺杂ZnO相比向大角度方向偏移,意味着In和P都占据Zn位。XPS测试结果表明在共掺ZnO薄膜中P不是取代O而是取代Zn。因此,铟磷共掺ZnO薄膜中,In和P都取代Zn,并且PZn与2个锌空位(VZn)形成PZn-2VZn复合受主,薄膜表现为p型。

SEBS/PP复合材料抗水树枝性能研究

该文采用水刀电极法对苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)/聚丙烯(PP)复合材料和低密度聚乙烯(LDPE)进行加速水树枝老化实验,并通过结晶特性和力学特性实验对两者在抗水树特性上的差异进行分析。通过偏光显微镜(PLM)、差示扫描量热仪(DSC)和扫描电子显微镜(SEM)分别对材料的水树枝形貌和球晶结构、熔融-结晶特性以及片晶结构进行观察与分析,并选用动态热机械分析仪(DMA)和电子拉力机分别研究材料的动态松弛特性和应力-应变特性。水刀电极法结果显示,高结晶度的PP与非结晶的弹性体SEBS没有发生水树枝老化,而SEBS/PP复合材料虽然出现水树枝结构,但其尺寸仍明显低于LDPE。结晶特性与力学特性实验结果显示,与LDPE相比,PP具有较高的结晶度与结晶尺寸,并且具有较高的机械强度和较低的动态松弛损耗因数;SEBS在复合体系中以"岛"相存在,PP片晶变细变短,并且其球晶边界也变得模糊,体现出更强的非晶特性,导致PP片晶之间在外力作用下的抗滑移能力降低。分析认为,SEBS/PP较高的结晶度和由力学性能体现出的片晶之间较强的抗滑移能力是其抑制水树枝生长能力优于LDPE的主要原因。

纳米PTFE对低密度聚乙烯空间电荷特性与直流介电性能的影响

为研究驻极体材料纳米聚四氟乙烯(PTFE)对低密度聚乙烯(LDPE)空间电荷特性及直流介电性能的影响,选用纳米PTFE粉末与LDPE共混,制备得到不同填料质量分数(0.1wt%、0.3wt%、0.5wt%)的纳米PTFE/LDPE复合材料。SEM图像表明,粒径为20 nm左右的PTFE粒子在LDPE基体中分散性良好,结晶尺寸减小。FTIR表明,掺杂纳米PTFE粒子不会改变LDPE原有的化学结构。DSC结果表明,纳米PTFE粒子作为异相成核剂促进了材料的异相成核,提高了复合材料的结晶度。利用电声脉冲法(PEA)测试了室温下纳米复合材料的空间电荷分布,并测试了纳米复合材料的电导电流特性及直流击穿特性,结果表明,较低掺杂含量的纳米复合材料能明显抑制材料内部的空间电荷积聚,并且提高了复合材料空间电荷注入的阈值场强和材料的耐电强度。热刺激电流(TSC)结果表明掺杂含量较少时,纳米复合材料的陷阱能级最深,并随着掺杂含量的增加,纳米复合材料的陷阱能级逐渐变浅,浅陷阱密度逐渐增大。最后利用Materials Studio软件仿真分析F原子对LDPE陷阱能级的影响,表明F原子较强的电负性是影响纳米PTFE/LDPE复合材料陷阱能级的重要因素。

纳米SiO_(2)分散性对SiO_(2)/LDPE纳米复合材料直流介电性能的影响

SiO_(2)/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的介电性能与纳米SiO_(2)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SiO_(2)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SiO_(2)与LDPE熔融共混制备SiO_(2)/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SiO_(2)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SiO_(2)引入深陷阱能级可以改善LDPE的直流介电性能。经过拉伸的SiO_(2)/LDPE的空间电荷积累得到抑制,电导电流的机制发生改变。通过对电导电流的数据进行拟合处理,发现拉伸后的SiO_(2)/LDPE的电导以离子跳跃电导为主,其跳跃距离减少到1.98 nm左右。SiO_(2)/LDPE相比LDPE直流击穿强度提高约43%,室温拉伸处理后SiO_(2)/LDPE击穿强度降低的主要原因是拉伸过程导致的LDPE基体结构缺陷。

基于双压电陶瓷的非本征光纤法-珀电流互感器

针对光纤电流互感器结构复杂、检测精度低、小电流测试不灵敏等问题,提出采用双压电陶瓷结构的非本征光纤法-珀(extrinsic fabry-perot interferometric,EFPI)电流互感器。根据压电陶瓷(piezoelectric ceramic,PZT)材料的单极性逆压电效应,采用双PZT结构,环形铁磁材料套于测试线路上,按相反方向在环形铁磁材料上下半圆个缠绕两组线圈,被测线路通电后,两组线圈产生感应电压,并分别为两支PZT提供驱动电信号,PZT伸缩量与感应电压成正比,利用EFPI传感器对微应变敏感的特点对压电陶瓷材料微应变进行采集,通过光电转换后还原被测电流信号,最后对所测结果进行线性拟合验证电流互感器检测性能和可行性。实验结果表明:该电流互感器检测带宽为0~210 kHz,电流测试范围为0~60 A,检测结果线性拟合度达到99.94%,0~1 A范围内检测结果线性拟合度达到99.45%,最小可测电流为0.1 A。

纳米SiC/低密度聚乙烯复合材料的空间电荷与电导特性

利用熔融共混法制得不同纳米SiC质量分数(0.5%、2.0%、3.0%)的纳米SiC/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料,研究了添加纳米SiC颗粒对LDPE介电性能的影响。利用SEM观测了纳米SiC颗粒的分散特性,利用电声脉冲(PEA)法测得40kV/mm场强作用下纳米SiC/LDPE复合材料的空间电荷分布特性。利用热刺激电流(TSC)进一步验证纳米SiC添加能够提高LDPE的陷阱浓度。结果表明:纳米SiC颗粒能够均匀地分散在LDPE中,未出现较大的团聚现象。纳米SiC质量分数为0.5%、2.0%和3.0%的纳米SiC/LDPE复合材料空间电荷注入量明显低于LDPE。短路600s后的残留空间电荷密度远小于LDPE。纳米SiC/LDPE复合材料的空间电荷注入量与电导率均随着纳米SiC的增加而减少。纳米SiC质量分数为3.0%的纳米SiC/LDPE复合材料场强非线性系数为2.6,远小于LDPE的4.3。TSC曲线表明纳米SiC/LDPE复合材料内部制造了大量的陷阱,抑制了载流子在材料内部的输运,从而阻碍了空间电荷的迁移和积聚。

纳米MgO/LDPE及SiO_2/LDPE复合介质潮气吸附机制及其对直流电导特性的影响

为了研究纳米复合介质的吸潮特性及其对介电性能的影响,应用Materials Studio仿真分析MgO及SiO_2纳米粉末对水分子的吸附能,探讨了相关的吸潮机制及纳米MgO和纳米SiO_2粉末的吸潮特性,对吸潮前后MgO/低密度聚乙烯(LDPE)和SiO_2/LDPE复合介质介电性能的变化进行了试验研究。研究结果表明,水分子在氧化物表面的吸附点位主要是O原子,由于纳米SiO_2属无定形,水分子可渗入SiO_2纳米粒子内部与更多的O原子形成吸附作用,纳米SiO_2具有更大的吸潮量。由于纳米MgO对水分子的吸附能大于纳米SiO_2对水分子的吸附能,水分子更难被移除。纳米MgO/LDPE和纳米SiO_2/LDPE复合介质较LDPE更易吸潮,其原因是纳米粒子吸附水分子能力较强所致。吸潮对MgO/LDPE和纳米SiO_2/LDPE复合介质的介电性能有较大影响,吸潮后复合介质的电流密度值明显上升,水分子的存在可能破坏了原有界面区的紧密结构和荷电特性,削弱了复合介质对载流子迁移的抑制能力。当测试温度增加至60℃以上,受潮后复合介质吸附的水分子基本被移除,纳米MgO/LDPE和SiO_2/LDPE复合介质的电流密度值恢复到同干燥试样的电流密度值基本一致。

深度混炼对纳米SiO_2/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SiO_2/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SiO_2/LDPE复合体系中纳米SiO_2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SiO_2颗粒分散性改善和纳米SiO_2/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SiO_2颗粒在LDPE中分散的更加均匀;深度混炼与单次混炼相比,SiO_2/低密度聚乙烯复合材料直流击穿强度上升,室温下达到433.1kV/mm;随着混炼次数的增加,SiO_2/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SiO_2颗粒的分散性,使其与LDPE基体的界面增多,同时,纳米SiO_2颗粒还使SiO_2/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SiO_2/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SiO_2/LDPE复合材料高温区的空间电荷抑制性能。