聚乙烯基無(wú)機(jī)納米復(fù)合電介質(zhì)的陷阱特性與電性能研究.pdf

1、納米復(fù)合改性是提高電力設(shè)備絕緣材料電性能的有效途徑，聚合物基無(wú)機(jī)納米復(fù)合電介質(zhì)的研究具有十分重要的工程意義和理論價(jià)值。陷阱對(duì)聚合物電導(dǎo)、老化和擊穿等電性能有顯著影響，對(duì)聚合物及其納米復(fù)合物陷阱特性及陷阱對(duì)電性能影響的研究，有助于揭示聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)電性能的機(jī)理。本論文以低密度聚乙烯(LDPE)為聚合物基體材料，重點(diǎn)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(duì)LDPE陷阱特性和電性能的影響，并以陷阱特性作為切入點(diǎn)，研究了納米電介質(zhì)電性能的微觀(guān)和介觀(guān)機(jī)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(fù)合電介質(zhì)，并采用掃描電鏡、紅外光譜、X射線(xiàn)衍射、紫外-可見(jiàn)吸收光譜等技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，研究了不同種類(lèi)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(xué)

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(fù)合物的紫外-可見(jiàn)光吸收特性，并研究了納米顆粒偶聯(lián)劑處理對(duì)上述特性的影響。研究表明，復(fù)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(xué)鍵合作用，并且降低了納米顆粒團(tuán)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(jìn)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(gòu)；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(fù)合物對(duì)250～400nm之間的紫外光有很強(qiáng)的吸收作用。
　　(2)針對(duì)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(jí)連續(xù)分布的聚合物陷阱特性的改進(jìn)的等溫放電電流和熱刺激電流分析方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析證實(shí)了該方法的有效性，并以此得到了LDPE及其納米復(fù)合物的陷阱特性。研究得出，納米摻雜能夠使LDPE的陷阱能級(jí)密度增加

5、2～6倍，陷阱深度基本不變；陷阱均來(lái)自于界面區(qū)高分子鏈的空間構(gòu)象缺陷，其物理本質(zhì)是空腔；陷阱能級(jí)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(guān)系。
　　(3)研究了納米摻雜引起LDPE陷阱能級(jí)密度變化的微觀(guān)機(jī)制，提出并證實(shí)了納米摻雜改性的界面陷阱機(jī)理理論模型。研究得出，納米復(fù)合物中陷阱能級(jí)密度的增加源于兩個(gè)方面：一是納米顆粒促進(jìn)了聚乙烯的異相成核過(guò)程，提高了成核速率而降低了球晶生長(zhǎng)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(dòng)性、形態(tài)結(jié)構(gòu)、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(yīng)是導(dǎo)致納米復(fù)合物中陷阱能級(jí)密度增加的主要原因。
　　(4)研究了不同納米摻雜對(duì)LDPE電性能特別是電荷輸運(yùn)特性的影響，并基于界面陷阱理論給出了納米復(fù)合物電導(dǎo)降低、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和耐電樹(shù)枝老化壽命增加的物理機(jī)制。研究表明，通過(guò)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(fù)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(chǎng)電導(dǎo)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(shù)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(fù)合物的耐電樹(shù)枝老化能力最好，其次分別是Z

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