聚乙烯基無機納米復合電介質(zhì)的陷阱特性與電性能研究.pdf

1、納米復合改性是提高電力設備絕緣材料電性能的有效途徑，聚合物基無機納米復合電介質(zhì)的研究具有十分重要的工程意義和理論價值。陷阱對聚合物電導、老化和擊穿等電性能有顯著影響，對聚合物及其納米復合物陷阱特性及陷阱對電性能影響的研究，有助于揭示聚合物基納米復合電介質(zhì)電性能的機理。本論文以低密度聚乙烯(LDPE)為聚合物基體材料，重點研究了ZnO、ZnxMg1-xO(x=0.5)、ZnO+MMT(montmorillonite)摻雜及納米顆粒表面偶聯(lián)

2、劑處理對LDPE陷阱特性和電性能的影響，并以陷阱特性作為切入點，研究了納米電介質(zhì)電性能的微觀和介觀機理。論文主要工作如下：
　　(1)采用熔融共混法制備了不同摻雜量的LDPE/ZnO、LDPE/ZnxMg1-xO、LDPE/ZnO+MMT納米復合電介質(zhì)，并采用掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射、紫外-可見吸收光譜等技術手段對其進行了結(jié)構表征，研究了不同種類納米顆粒在LDPE基體中的分散性和其與基體的相容性、納米顆粒與基體的界面物理化學

3、作用、納米摻雜引起的LDPE結(jié)晶度及微晶尺寸變化和納米復合物的紫外-可見光吸收特性，并研究了納米顆粒偶聯(lián)劑處理對上述特性的影響。研究表明，復合物中ZnO和ZnxMg1-xO納米顆粒的粒徑基本上都在50～200nm之間；偶聯(lián)劑與納米顆粒之間產(chǎn)生了化學鍵合作用，并且降低了納米顆粒團聚物的尺度；表面處理的ZnO納米顆粒與MMT混合摻雜增大了MMT的層間距，促進了二者在LDPE中的分散，ZnO與MMT片層形成了一定的交織結(jié)構；ZnO和ZnxMg

4、1-xO摻雜提高了LDPE的結(jié)晶度；lDPE/ZnO和LDPE/ZnxMg1-XO納米復合物對250～400nm之間的紫外光有很強的吸收作用。
　　(2)針對傳統(tǒng)的熱刺激電流方法在定量研究聚合物陷阱特性方面存在的缺陷，提出了適用于研究能級連續(xù)分布的聚合物陷阱特性的改進的等溫放電電流和熱刺激電流分析方法，通過實驗分析證實了該方法的有效性，并以此得到了LDPE及其納米復合物的陷阱特性。研究得出，納米摻雜能夠使LDPE的陷阱能級密度增加

5、2～6倍，陷阱深度基本不變；陷阱均來自于界面區(qū)高分子鏈的空間構象缺陷，其物理本質(zhì)是空腔；陷阱能級密度的變化與納米顆粒本身的性質(zhì)和形狀、摻雜量、偶聯(lián)劑處理有密切關系。
　　(3)研究了納米摻雜引起LDPE陷阱能級密度變化的微觀機制，提出并證實了納米摻雜改性的界面陷阱機理理論模型。研究得出，納米復合物中陷阱能級密度的增加源于兩個方面：一是納米顆粒促進了聚乙烯的異相成核過程，提高了成核速率而降低了球晶生長速率，從而減小了球晶尺寸，生成了

6、大量均勻的小球晶，在晶區(qū)與非晶區(qū)之間產(chǎn)生了更多的界面，該界面能夠形成大量空腔陷阱；另一方面納米顆粒與聚合物之間的界面區(qū)由于分子可動性、形態(tài)結(jié)構、自由體積等不同于聚合物基體而存在大量空腔陷阱。這兩種界面產(chǎn)生的陷阱效應是導致納米復合物中陷阱能級密度增加的主要原因。
　　(4)研究了不同納米摻雜對LDPE電性能特別是電荷輸運特性的影響，并基于界面陷阱理論給出了納米復合物電導降低、擊穿場強和耐電樹枝老化壽命增加的物理機制。研究表明，通過Z

7、nO、ZnxMg1-xO和ZnO+MMT摻雜，大幅度提高了LDPE的電性能。其中，納米復合物的載流子遷移率是LDPE的1/4～1/20，體積電阻率是LDPE的2～20倍，高場電導電流最小是LDPE的1/8～1/2；積累的同極性和異極性空間電荷密度和電荷量最小是LDPE的1/8～1/3，偶聯(lián)劑處理有助于空間電荷的抑制；耐電樹枝老化壽命最大是LDPE的30倍，ZnO納米顆粒與MMT片層混合摻雜的納米復合物的耐電樹枝老化能力最好，其次分別是Z

8、nxMg1-xO和ZnO摻雜；納米復合物的擊穿場強最大比LDPE提高了10％～20％。研究表明納米摻雜的界面陷阱效應及其本身特性是引起納米復合物電性能改善的關鍵因素。
　　(5)為了深入理解納米復合物中的空間電荷行為及其機理，通過對電極電荷注入和輸運過程中界面陷阱調(diào)制作用的實驗和理論分析，提出了LDPE/ZnO納米復合電介質(zhì)中空間電荷抑制的陷阱機理理論模型。研究得出，納米顆粒摻雜的界面陷阱效應有效降低了注入電荷積累的深度，促進了注