多层结构聚合物基复合电介质材料储能特性研究进展

聚合物电介质材料由于其成本低、击穿强度高、可靠性高等优点被广泛用于电力系统。但是聚合物电介质材料放电能量密度较低,难以满足新一代小型化电容器的需求,多层结构具有能够协同提升介电常数和击穿强度的优势,解决聚合物电介质介电常数与击穿强度之间的矛盾问题,实现具有优异储能特性的聚合物基电介质材料。文中综述了近年来多层结构聚合物基复合材料的研究进展,分析了多层结构中的极化与击穿现象,并详细讨论了聚合物基多层结构和无机层与聚合物基层结合的多层结构设计,归纳了一些能够提升多层结构聚合物基复合材料储能的方法。例如通过增加界面、优化多层结构中的填料分布以及构建过渡层的方法来提升储能特性。最后,对近年来多层结构聚合物基复合材料的进展进行了总结,并提出了未来的发展方向以及需要解决的关键问题。

超低介电常数的多孔F-pSiCOH薄膜制备及其紫外固化处理

面向高性能集成电路可靠性设计要求之下,开展以硅集成电路(IC)三维集成器件超低介电常数的介电薄膜研究。采用化学气相沉积法制备了一种超低介电常数(k)值的多孔F-pSiCOH薄膜。利用傅里叶变换红外光谱测定了多孔F-pSiCOH薄膜的化学结构和化学键,并探究了紫外线辐射对多孔F-pSiCOH薄膜机械性能的影响。结果表明:纳米孔和氟原子的引入能有效地降低介电常数,使多孔F-SiCOH薄膜的k值为2.15。紫外固化处理增强了多孔F-pSiCOH薄膜的弹性模量,使多孔F-pSiCOH薄膜的弹性模量从4.84GPa增大到5.76GPa,力学性能得到优化。

P(VDF-CTFE)/DA@BTO层叠式结构复合薄膜的介电与储能特性研究

聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物在高储能密度、高脉冲储能领域具有广泛的应用前景。本文采用钛酸钡(BTO)纳米颗粒掺杂聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯(P(VDF-CTFE))溶液,采用流延法制备P(VDF-CTFE)/BTO复合薄膜,探讨了不同BTO掺杂含量对复合薄膜微观结构、介电性能、储能特性的影响;采用多巴胺(DA)改性BTO以提升BTO与聚合物基体的相容性,改善复合薄膜的介电常数和电气强度;同时利用薄膜层间“击穿阻碍效应”制备层叠式结构复合薄膜以提升薄膜的储能特性。结果表明:使用DA改性BTO质量分数为10%的P(VDF-CTFE)/DA@BTO复合薄膜作为中间层、P(VDF-CTFE)作为外层制备的PV-BT-PV层叠式三明治结构复合薄膜,介电常数达到10.44,最大电气强度为362.25kV/mm,在500kV/cm电场强度下的充放电效率达到86.63%。

介电解冻技术对肉类原料品质影响的研究进展

解冻是冷冻肉制品加工的重要单元操作,其应用效果关注的重点包括解冻时间、样品温度均匀性、汁液流失率、蒸煮损耗、新鲜度、质构特征和口感变化差异等。因此,选择适宜的技术及工艺参数最终能得到解冻品质俱佳的肉类原料产品。传统解冻技术包括空气解冻、浸泡解冻等,新型的物理场解冻包括微波解冻、射频解冻、远红外解冻和欧姆解冻等。以高频电磁波为激励源的微波和射频介电解冻方式因其操作时间短、高效等优点逐渐在冷冻肉制品加工领域得到应用。本文综述了介电解冻技术,概述其关键影响因素,探讨了介电解冻过程中肉类原料品质的变化,并对介电解冻过程中还存在的共同问题以及未来研究方向提出了新的思考。

基于频域介电谱曲线分解的氧化锌避雷器老化状态评估

氧化锌避雷器是电力系统的重要组成设备,其老化状态直接关系到对过电压的防护效果,开展氧化锌避雷器的老化状态评估具有重要意义。该文针对氧化锌避雷器内部不均匀老化分布,提出一种基于频域介电谱曲线分解的氧化锌避雷器老化状态评估方法。首先,通过构建氧化锌避雷器介电响应等效电路,研究了氧化锌避雷器频域介电谱分解方法,根据整支避雷器频域介电谱分解可以得到避雷器内部各区域氧化锌阀片的频域介电曲线;其次,利用Havriliak-Negami方程对氧化锌阀片频域介电谱特征参数进行了提取,基于极限学习机建立了氧化锌阀片老化状态评估模型,提出氧化锌避雷器老化评估方法流程;最后,通过多重雷击模拟实验,制备了不同老化状态的氧化锌阀片与避雷器实物样本,对所提老化评估方法进行了分析与验证。结果表明,整支避雷器频域介电谱分解与测试结果的平均误差小于3%,所提方法能够有效地对避雷器频域介电谱进行分解并获取各区域的频域介电谱;针对整支避雷器,该文所提方法对各区域老化状态的评估准确率为93.3%,能够有效地对避雷器进行老化评估。

遥爪型聚丙二醇熔体动力学的宽频介电谱研究

性能优异的聚合物电解质需要兼具较高的离子电导率和良好的机械性能.深入理解聚合物的结构和分子动力学及其与材料宏观性能之间的关系,对于从分子尺度设计高性能聚合物电解质至关重要.本文选取玻璃化转变温度低、氢键缔合基团位于链端的非晶遥爪型聚丙二醇模型体系,通过化学修饰端基合成了分子量为1000,2000和4000的两端端基均为烯丙基的聚丙二醇,并利用宽频介电谱研究了链端基团相互作用强度及分子量对聚丙二醇多尺度动力行为的影响.实验结果表明,具有两种不同端基的聚丙二醇均出现了对应链段尺度的α松弛和对应整链尺度的Normal Mode松弛.在相同温度下,端基相互作用会同时影响两个松弛过程,相互作用越强,松弛时间越长.由于端基含量随分子量减小而增加,分子量越小,缔合端基对高分子动力学的影响越明显.此外,利用高分子玻璃化熵理论研究了端基缔合强度和分子量对遥爪型高分子熔体链段动力学的影响,理论预测与实验结果定性一致.研究结果为聚合物电解质的分子设计提供了指导.

高温热处理对环氧聚合物介电松弛的影响

为了揭示热处理对环氧树脂介电松弛的影响,本文制备了环氧树脂试样,对其进行210℃/48 h的热处理,并研究热处理前后环氧树脂化学结构、玻璃化转变温度、热分解参数、体积电阻率与介电松弛的变化。结果表明:热处理并未改变环氧树脂的化学结构与热分解温度,但使其玻璃化转变温度由134℃下降至108℃。同时,热处理后试样的介电常数变大,其中高频(106 Hz)介电常数增幅较小,而低频(10^(-1) Hz)介电常数增幅明显。

Al_(2)O_(3)@SiO_(2)核壳纳米球添加对聚丙烯介电和空间电荷特性的影响

为研究核壳结构Al_(2)O_(3)@SiO_(2)球形纳米颗粒对聚丙烯(Polypropylene, PP)复合电介质性能的影响,本工作利用表面沉淀法合成了Al_(2)O_(3)@SiO_(2)核壳纳米球,并制备了聚丙烯基Al_(2)O_(3)@SiO_(2)核壳纳米球复合电介质,研究了添加不同含量Al_(2)O_(3)@SiO_(2)核壳纳米球的聚丙烯纳米复合电介质的理化性能、介电谱和空间电荷特性。结果表明:添加Al_(2)O_(3)@SiO_(2)核壳纳米球降低了聚丙烯复合电介质的储存模量,增强了其韧性;Al_(2)O_(3)@SiO_(2)核壳纳米球添加量对聚丙烯复合电介质介电性能和空间电荷特性影响较明显,添加含量较低时,核壳结构Al_(2)O_(3)@SiO_(2)纳米球增强了其与基体的相容性及界面区域的相互作用,受界面区及其对体内电荷密度和载流子迁移率的影响,聚丙烯复合电介质的相对介电常数和介质损耗因数均有所降低,且抑制了异极性空间电荷积聚,因此Al_(2)O_(3)@SiO_(2)/PP复合电介质的介电性能和空间电荷特性得到提高。

电容器用BOPP薄膜在介电和储能性能提高中的研究进展

目前商用薄膜电容器以双向拉伸聚丙烯材料(BOPP)为主,其作为薄膜电容器的关键材料是最常用的聚合物薄膜,但BOPP薄膜作为电容器的核心材料仍存在储能密度低和使用温度偏低等问题。本文综述了近几年研究学者对电容器用BOPP薄膜在电介质材料的介电及储能性能提升方面的研究,为高性能聚合物基电介质材料的研究和发展提供了参考,并对未来的研究方向进行了展望。

环形介电弹性体发电机的输出特性研究

【目的】能源是当今世界经济社会发展的重要物质基础。伴随着传统能源的日渐枯竭,可再生能源的收集与利用凸显出重要意义。介电弹性体是一种新型软质智能材料,具有机电双向耦合特性,可用于制作介电弹性体发电机以产生电能。【方法】首先,设计并制作一种环形介电弹性体发电机;然后,通过分析其工作流程、发电机理与能量转换机制,建立环形介电弹性体发电机的数学模型,用以描述其发电性能与偏置电压、外部负载、预拉伸倍数之间的关系。最后,通过实验验证所建立数学模型的有效性。【结果】预拉伸倍数、拉伸位移和偏置电压的增加都有助于提高环形介电弹性体发电机的发电性能。【结论】该项工作对介电弹性体发电机的设计具有指导意义。

变压器油纸绝缘受潮状态对频域介电谱的影响特性分析

阐述对多种不同受潮程度的变压器油浸绝缘纸样本进行频域介电谱测试,探讨受潮程度对变压器绝缘纸频域介电谱特性的影响规律,分析变压器绝缘纸受潮状态评估的特征参量,为评估提供依据。

三维钛酸铜钙/环氧树脂-氮化硼复合电介质的介电松弛行为研究

以无尘纸纤维为模板,使用溶胶-凝胶法构筑了三维钛酸铜钙(3D CCTO)陶瓷网络,然后将含有不同比例氮化硼纳米片的环氧树脂(EP-BNNS)反向引入到3D CCTO陶瓷网络中,制备了3D CCTO/EP-BNNS复合电介质材料。通过介电模量方式研究了不同温度下3D CCTO与BNNS的加入对复合电介质材料介电松弛行为的影响。结果表明反向引入EP达到饱和时,3D CCTO陶瓷网络的质量分数为34%(体积分数为9.2%),同时保持了陶瓷良好的网络结构。3D CCTO/EP-1.0BNNS复合电介质材料的介电常数在1 kHz下高达25.8,介电损耗低至0.032,分别为传统陶瓷粉末填充CCTO/EP体系的170%和89%,3D CCTO与BNNS实现了良好的协同增强效果。通过材料等温介电弛豫谱图可知,3D CCTO的加入显著提升了介质极化能力,而BNNS的加入显著抑制了体系内载流子的跃迁,降低了介电损耗。

Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)微波介电陶瓷的制备与表征

本研究分别用微量Zn^(2+)与Sn^(4+)取代Mg_(2)+与Ti^(4+),通过固相反应法制备了Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)微波介电陶瓷,并采用阿基米德法、XRD、SEM、EDS及网络分析仪等手段,分析了材料的基本物性和介电特性。基本物性分析结果表明,烧结温度、Zn掺杂量x、Sn掺杂量y等因素对Mg_(2)TiO_(4)的晶体结构无明显影响,烧结致密性随烧结温度的升高呈先增大后减小的趋势,其中在1300℃下烧结所得的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O_(4),烧结致密性最佳,达到98%。微波介电特性分析结果表明,Zn-Sn共掺杂Mg_(2)TiO_(4)的介电常数εr与品质因数Q×f值,均随烧结温度的升高而呈先增大后减小的趋势,且其谐振频率温度系数τf具有较好的稳定性,其中在1300℃下烧结所得的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O4,εr≈15.55,Q×f≈319690GHz,此时τf≈-52.06×10^(-6)·℃^(-1)。与前人的研究结果比较后可知,本研究制备的(Zn_(0.05)Mg_(0.95))2(Sn_(0.05)Ti_(0.95))O_(4)不仅将烧结温度大幅下降至1300℃,还能将品质因子提升至319690GHz,使其微波介电性能得到有效改善。

介电法土壤水分传感器研究进展

土壤水分传感在精准农业研究过程中起着关键作用。以介电法土壤水分传感器为例,系统地总结了土壤水分传感器的分类和传感器的特点,分析了现有技术、土壤温度、土壤湿度、土壤类型、土壤盐分对介电法土壤水分传感器测量精度的影响比例,提出了如何加强土壤水分传感器测量精度的方法,以期有助于更好地了解和应用土壤水分传感器。

纳米电介质电-热特性专题编者按

21世纪以来,我国经济社会持续快速发展,电力和电气化需求进入了高速增长期,这前所未有地使介电材料成为世界舞台上的焦点.介电材料是电容器、电力电子、微电子、嵌入式集成电路、电缆和发电机等的关键组成部分.其中,纳米电介质属于一类“具有纳米结构的多组分电介质材料”,自1994年Lewis教授首次提出纳米电介质理论以来,在近三十年的时间里发展迅猛且被誉为“未来的绝缘材料”.

基于介电频谱特征参数的红壤干旱指标评价研究

为获取红壤含水量对电磁波介电频谱的响应特征,探讨介电频谱特征参数作为红壤干旱评价指标的可行性,以红壤为研究对象,开展不同体积含水量红壤的频域介电谱(FDS)试验,提取介电谱特征曲线积分值,分析介电频谱特征参数与体积含水量的相关性,结合国家《农业干旱等级》标准提出基于介电频谱特征参数的红壤干旱评价指标。结果表明:红壤介电常数实部和虚部均随着介电频谱频率的增大而逐渐减小,两者与体积含水量均呈正相关关系;介电损耗因数随频率变化具有波动性,且体积含水量越小波动性越强,总体呈现出先减小后增大的趋势;通过最小二乘法拟合得到介电频谱特征参数与体积含水量的量化关系,采用细菌觅食算法确定最优的模型系数,拟合精度均大于0.95;基于介电谱特征参数建立红壤干旱指标评价模型,预测值与标准值之间的误差均为±1%左右。该模型能有效地评价红壤干旱程度,可为红壤区域性农业干旱调查、评估及预警提供参考指标。

基于辛本征值方法的受约束介电弹性体中褶皱不稳定性的分析

辛弹性力学已广泛应用于弹性学中各种边值问题的精确解、计算表面波模式以及预测多层超弹性薄膜中的表面褶皱。本文展示了辛分析框架还可应用于受约束介电弹性体中的表面褶皱。机械和电位移向量是两个基本变量来描述介电弹性体中机械变形与电场紧密耦合。褶皱的临界电压可以通过引入基本变量的对偶变量来从辛本征值问题中解决。本文采用扩展的W-W(Wittrick-Williams)算法和精确的积分方法,准确而高效地解决制定的辛本征值问题的本征值。通过将褶皱电压和波数与有无表面能的褶皱基准结果进行比较,验证了辛分析的有效性。辛分析框架简洁且适用于其他不稳定问题,如分层电介质弹性体、磁弹性不稳定性以及层压复合结构的微观和宏观不稳定性。

嫦娥四号着陆区次表层介电特性全波形反演与仿真验证

介电特性是决定雷达波在物质中传播速度的重要参数.嫦娥四号测月雷达提供的高垂向分辨率次表层雷达剖面信息有助于加深对月球次表层物质介电特性的理解与认识.全波形反演法充分利用雷达波场的运动学和动力学信息,根据雷达波模拟结果与真实数据的差异计算更新参数,迭代初始介电模型实现对次表层介电剖面的反演.本文结合嫦娥四号测月雷达数据与时域有限差分方法下均质模型和随机等效介质模型的雷达回波特性,确定随机等效介质模型能够更好地模拟嫦娥四号着陆区次表层物质的介电特性.全波形方法反演的介电模型与真实模型在大部分区域的相对介电常数误差小于0.2,为反演月壤厚度及构建次表层温度模型提供了重要的数据支撑.

PVDF基储能电介质的设计及性能调控相关进展

聚合物基介电电容器因具有击穿场强高、介电损耗低、自愈性好以及良好的可加工性等优势,成为了电子电力系统中重要的储能元器件。然而,聚合物的相对介电常数和放电能量密度较低,极大地限制了聚合物基固态电容器向小型化方向发展。因此,提高聚合物相对介电常数,研发高放电能量密度和高储能效率的聚合物基电容器成为了迫切需求。聚偏二氟乙烯(PVDF)以其良好的介电性能和较高的放电能量密度成为研究的热点。本文从电介质的储能原理出发,综述了近年来PVDF基纳米复合电介质材料的设计及其性能调控的主要方案:(1)聚合物+无机高介电纳米填料;(2)聚合物+无机低介电纳米填料;(3)聚合物+金属纳米粒子。本文为进一步提高聚合物基电介质的储能性能提供了重要参考。

变压器油纸绝缘非线性介电弛豫模型构建方法研究

基于频域介电响应(FDS)对变压器油纸绝缘状态进行检测时,油纸绝缘频域介电响应的非线性变化会影响绝缘评估的准确性,因此亟须开展不同老化程度油纸绝缘材料FDS非线性变化规律的研究。在实验室环境下制备了多组不同老化程度的油纸绝缘模型,并在不同温度下对油纸绝缘非线性FDS进行测试。结果表明:测试激励幅值越大,FDS曲线在低频段降低越明显,且随着测试温度的升高及老化程度的增加,介质损耗因数曲线出现非线变化的特征频段向高频方向移动;本文基于修正的Davidson-Cole模型,通过曲线拟合计算得到模型中的形状参数,并以此建立基于传递函数的等效电路模型,仿真计算得到了油纸绝缘阻抗模值非线性的变化规律。根据仿真结果可知,各阶阻抗模型的电路参数与油纸绝缘介电特性非线性的变化规律密切相关,而阻抗的改变使得曲线在相应频段发生变化。