低密度聚乙烯空間電荷界面注入與體輸運的仿真與實驗研究.pdf

1、聚乙烯等高聚物材料以其優(yōu)異的電氣性能在高壓絕緣領域得到廣泛應用。在交流或直流電場作用下,聚乙烯材料中會產生較強的空間電荷積累。這些空間電荷會誘發(fā)各種空間電荷效應,嚴重影響聚乙烯材料的絕緣性能和老化過程,很大程度上限制了聚乙烯材料的應用范圍。因此聚乙烯中的空間電荷問題已成為高壓絕緣領域的前沿研究課題。近年來,國際上已發(fā)展出多種先進方法來直接測量聚合物在電場作用下的空間電荷分布信息,也有學者利用空間電荷注入,遷移及釋放過程中的光,電,熱等信

2、息來分析空間電荷特性。然而,由于聚乙烯半結晶態(tài)的結構特點,影響其微觀結構及陷阱特性的因素眾多,因此常導致實驗中觀測到的空間電荷分布數據分散性較大,難以從理論上對其進行統(tǒng)一的解釋。本文結合國內外學者的研究成果,以低密度聚乙烯材料為研究對象。探討了影響空間電荷輸運特性的關鍵因素,在此基礎上建立數值模型對不同的空間電荷輸運行為的實驗結果進行了仿真模擬研究,并利用飛行時間法對表征聚乙烯材料中空間電荷運動的關鍵參數--載流子遷移率進行了測量。

3、r>　　 本文首先詳細討論了聚合物中空間電荷輸運模型的建立方法,通過將電荷的傳導過程抽象為注入,遷移,捕獲等基本物理過程,并分別利用場限制空間電荷理論來描述空間電荷的注入過程,采用有效遷移率來描述載流子在聚合物中的遷移過程,使用能帶模型來描述載流子陷阱的入陷脫陷及復合過程等方法來建立一個描述空間電荷在聚乙烯中輸運行為的數值仿真模型,并就該模型在計算機上的算法實現(xiàn)做了簡單介紹。
　　 基于壓力波及電聲脈沖等方法測量得到的空間電荷

4、分布信號表征的是樣品內部的凈電荷分布,由于不同產生機制及不同極性的空間電荷分布信號會互相疊加,因此難以反映出空間電荷來源及電荷的真實輸運情況。本文通過在低密度聚乙烯樣品上添加聚偏氟乙烯(PVF)薄膜作為阻擋層的方法,使用激光壓力波法作為測量手段,對電極注入電荷與體內雜質解離電荷進行區(qū)分,研究了不同型號低密度聚乙烯材料中的空間電荷來源問題；通過單極性阻擋的方式分別研究了注入電子與注入空穴在經不同熱處理工藝后的低密度聚乙烯樣品中的遷移情況,

5、發(fā)現(xiàn)熱處理過程對電荷的輸運會產生較大影響:冷卻速率慢的樣品中空間電荷難以形成較大積累,注入電荷能夠快速遷移過整個樣品,而冷卻速率快的樣品易產生較多的電荷積累,注入電荷在遷移到樣品中部時便幾乎不再移動,造成差異的因為初步判斷是電荷從電極注入存在閾值電場以及不同熱處理過程造成的樣品體內陷阱能級深度的變化所致,通過改變數值模型的陷阱能級深度參數對單極性注入電荷遷移的實驗結果進行了仿真,模擬結果與實驗結果符合較好,并發(fā)現(xiàn)陷阱能級深度與電荷的閾值

6、性注入是影響空間電荷分布的重要因素。
　　 聚乙烯中的空間電荷包行為是空間電荷的一種特殊的輸運行為。研究結果表明,空間電荷包行為由于受材料本身特性,外加電場大小以及環(huán)境溫度等的影響,導致其產生過程及傳輸特性上存在較大差異。這些因素的復雜性給空間電荷包行為產生的機理研究帶來了較大困難。本文借鑒產生半導體中耿氏效應的負微分遷移率機制來描述電荷包的形成機理,并結合載流子的注入條件及體內陷阱對電荷包行為的影響等因素,探討了不同外加電場及

7、不同深度陷阱能級對電荷包遷移行為的影響；通過在已建立的電荷輸運模型上引入電場對有效遷移率的作用,提出在高于閾值電場時,載流子遷移速率和電場關系存在負微分遷移率的假設,對文獻中報道的兩類外加場強不同且遷移趨勢各異的空間電荷包行為進行了模擬仿真,模擬結果與實驗結果取得較好的一致,模擬結果表明,聚乙烯材料在高場下可能產生的負微分遷移率是產生空間電荷包行為的主要因為,其與材料電極注入情況及體內陷阱態(tài)的共同作用導致了空間電荷包行為遷移的多樣性。<

8、br>　　 載流子遷移率作為反映載流子在電場作用下的運動能力的物理量,是描述聚合物材料中電荷運動的重要參數。由于聚合物材料中的載流子遷移率較低,對其測量有很大難度。本文通過使用紫外激光在聚乙烯薄膜表面薄層內激發(fā)出載流子,測量載流子在外置偏壓作用下遷移到背電極產生的感應電流信號來確定載流子的遷移時間來確定載流子遷移率的飛行時間法來測量聚乙烯薄膜樣品中的載流子遷移率。通過利用自行搭建的飛行時間法測量系統(tǒng),對鍍金電極的純聚乙烯薄膜樣品以及以

9、硅和硒作為載流子產生層的聚乙烯薄膜樣品中的載流子遷移率進行了測量。實驗結果表明,雙面鍍金電極的聚乙烯薄膜在較高場強下存在著同極性電荷注入,入射光子可同時在薄膜光照表面與背電極處同時激發(fā)出載流子,實際測量信號是這兩種載流子運動產生的瞬態(tài)電流信號的疊加。單面鍍金電極的聚乙烯薄膜樣品可以消除背電極在光刺激下注入的載流子信號影響,但受聚乙烯材料中陷阱的影響,光激發(fā)載流子無法穿越整個樣品到達背電極,導致測得遷移率偏大。使用硅和硒作為載流子產生層的