電場和溫度場下SiO2-聚合物微結構演化及介電和熱性能.pdf

1、聚合物基納米電介質材料因其優(yōu)異的電氣性能、熱性能廣泛應用于電氣絕緣、變頻電機、直流電纜等領域。由于界面層是決定納米復合電介質材料熱性能和電性能優(yōu)劣的關鍵因素，已成為納米電介質材料科學研究的熱點。本文以非晶極性聚酰亞胺(PI)、半結晶非極性低密度聚乙烯(LDPE)和交聯(lián)聚乙烯(XLPE)為基體材料，摻雜SiO2、氣相SiO2(V-SiO2)、偶聯(lián)劑包覆氣相SiO2(K-SiO2)，研究顆粒尺寸、組分、表面修飾及基體特性等因素對復合薄膜微結

2、構的影響;在施加電場和溫度場下，研究復合薄膜微結構演化規(guī)律及對介電性能的影響。論文主要工作如下。
　　采用原位聚合法制備了不同尺寸、組分的SiO2/PI、V-SiO2/PI和K-SiO2/PI復合薄膜，采用SAXS、TEM等測試手段表征復合薄膜微結構，研究不同尺寸、組分和表面修飾的SiO2顆粒在PI基體中的分散性及與界面層之間關系。研究結果表明，SiO2顆粒尺寸、組分與界面層存在閾值關系，小尺寸(Snm、10nm)SiO2/PI復

3、合薄膜具有界面層，隨納米顆粒尺寸減小，界面層厚度增大;半徑大于25nm，復合薄膜無界面層;小組分（小于15wt％）復合薄膜無界面層，僅有質量分形;組分大于15wt％的復合薄膜具有界面層及質量分形和表面分形特征;組分1-20wt％K-SiO2/PI復合薄膜具有界面層及質量分形和表面分形特征;V-SiO2顆粒在復合薄膜以直徑100-500nm的團簇分散，偶聯(lián)劑與基體之間產(chǎn)生較強的化學鍵合作用，K-SiO2分散性好。
　　針對PI基電介

4、質材料實際應用，采用短時極化和長時電暈兩種測試方法，結合薄膜介電性能測試，研究電場作用下V-SiO2/PI復合薄膜微結構演化規(guī)律。研究結果表明，短時極化影響復合薄膜電子密度，極化后基體電子密度不變，界面層厚度不變、電子密度增大;隨溫度升高，基體電子密度不變，界面層厚度不變及電子密度減小;電場長時作用下，復合薄膜微結構發(fā)生顯著變化，電暈初期界面層厚度快速增加，電暈中后期保持穩(wěn)定;電暈過程中，基體電子密度減小，界面層厚度及其電子密度增加;V

5、-SiO2顆粒與PI基體高分子鏈形成無機顆粒阻礙層，提高復合薄膜耐電暈性能。
　　采用熔融共混法制備不同組分的V-SiO2/LDPE、K-SiO2/LDPE、V-SiO2/XLPE、K-SiO2/XLPE復合薄膜，采用SAXS、SEM、DSC、DMA等測試手段表征復合薄膜的微結構和測試性能，研究V-SiO2顆粒組分與LDPE基體間界面層的關系及溫度場和電場作用下V-SiO2/LDPE復合介質微結構演化與電導率的關系，提出并證實了V

6、-SiO2/LDPE納米復合電介質中“界面層抑制電導率增加”模型。研究結果表明，V-SiO2/LDPE復合介質呈現(xiàn)“界面層增加現(xiàn)象”，隨溫度升高，界面層厚度增大。復合薄膜電導率較純LDPE薄膜降低2個數(shù)量級，隨溫度升高，界面層厚度增加對載流子的散射作用和抑制能力相應增強，有效抑制空間電荷集聚，平順復合薄膜內部電場，降低電導率對溫度的敏感度;
　　在溫度場作用下，研究了V-SiO2和K-SiO2兩種顆粒與PI、LDPE、XLPE三種

7、基體復合薄膜微結構演化規(guī)律及機理，提出并通過實驗證實了“界面層記憶效應”模型。研究得出，V-SiO2和K-SiO2顆粒在LDPE和XLPE基復合薄膜呈現(xiàn)“正界面層記憶效應”;隨溫度升高，界面層厚度增大;溫度下降，界面層厚度減小并恢復。K-SiO2/PI復合薄膜為“負界面層記憶效應”，隨溫度升高，界面層厚度減小;溫度下降，界面層厚度增大并恢復。包覆層和基體密度決定“正、負界面層記憶效應”。
　　研究了納米顆粒摻雜引起LDPE和XLP

8、E球晶和片晶形貌變化的機理及微結構變化對復合薄膜熱性能的影響規(guī)律，提出“顆粒誘發(fā)LDPE片晶形變效應”模型;研究結果表明，在LDPE基復合薄膜中，SiO2顆粒使得片晶厚度增加、長度減小并影響片晶生長取向。由于片晶在XLPE基復合薄膜中交織重疊生長，SiO2顆粒添加對片晶厚度和長度無明顯改變。SiO2顆粒使得復合薄膜中球晶直徑減小、數(shù)量增加，球晶直徑和數(shù)量改變直接影響復合薄膜融化溫度和結晶溫度。
　　溫度場作用下，通過實驗和理論分析