電場和溫度場下SiO2-聚合物微結(jié)構(gòu)演化及介電和熱性能.pdf

1、聚合物基納米電介質(zhì)材料因其優(yōu)異的電氣性能、熱性能廣泛應(yīng)用于電氣絕緣、變頻電機(jī)、直流電纜等領(lǐng)域。由于界面層是決定納米復(fù)合電介質(zhì)材料熱性能和電性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，已成為納米電介質(zhì)材料科學(xué)研究的熱點。本文以非晶極性聚酰亞胺(PI)、半結(jié)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(fù)合薄膜微結(jié)

2、構(gòu)的影響;在施加電場和溫度場下，研究復(fù)合薄膜微結(jié)構(gòu)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(fù)合薄膜，采用SAXS、TEM等測試手段表征復(fù)合薄膜微結(jié)構(gòu)，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(guān)系。研究結(jié)果表明，SiO2顆粒尺寸、組分與界面層存在閾值關(guān)系，小尺寸(Snm、10nm)SiO2/PI復(fù)

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(fù)合薄膜無界面層;小組分（小于15wt％）復(fù)合薄膜無界面層，僅有質(zhì)量分形;組分大于15wt％的復(fù)合薄膜具有界面層及質(zhì)量分形和表面分形特征;組分1-20wt％K-SiO2/PI復(fù)合薄膜具有界面層及質(zhì)量分形和表面分形特征;V-SiO2顆粒在復(fù)合薄膜以直徑100-500nm的團(tuán)簇分散，偶聯(lián)劑與基體之間產(chǎn)生較強的化學(xué)鍵合作用，K-SiO2分散性好。
　　針對PI基電介

4、質(zhì)材料實際應(yīng)用，采用短時極化和長時電暈兩種測試方法，結(jié)合薄膜介電性能測試，研究電場作用下V-SiO2/PI復(fù)合薄膜微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。研究結(jié)果表明，短時極化影響復(fù)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(fù)合薄膜微結(jié)構(gòu)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(jī)顆粒阻礙層，提高復(fù)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(fù)合薄膜，采用SAXS、SEM、DSC、DMA等測試手段表征復(fù)合薄膜的微結(jié)構(gòu)和測試性能，研究V-SiO2顆粒組分與LDPE基體間界面層的關(guān)系及溫度場和電場作用下V-SiO2/LDPE復(fù)合介質(zhì)微結(jié)構(gòu)演化與電導(dǎo)率的關(guān)系，提出并證實了V

6、-SiO2/LDPE納米復(fù)合電介質(zhì)中“界面層抑制電導(dǎo)率增加”模型。研究結(jié)果表明，V-SiO2/LDPE復(fù)合介質(zhì)呈現(xiàn)“界面層增加現(xiàn)象”，隨溫度升高，界面層厚度增大。復(fù)合薄膜電導(dǎo)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(yīng)增強，有效抑制空間電荷集聚，平順復(fù)合薄膜內(nèi)部電場，降低電導(dǎo)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(fù)合薄膜微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及機(jī)理，提出并通過實驗證實了“界面層記憶效應(yīng)”模型。研究得出，V-SiO2和K-SiO2顆粒在LDPE和XLPE基復(fù)合薄膜呈現(xiàn)“正界面層記憶效應(yīng)”;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(fù)。K-SiO2/PI復(fù)合薄膜為“負(fù)界面層記憶效應(yīng)”，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(fù)。包覆層和基體密度決定“正、負(fù)界面層記憶效應(yīng)”。
　　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(jī)理及微結(jié)構(gòu)變化對復(fù)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(yīng)”模型;研究結(jié)果表明，在LDPE基復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合薄膜融化溫度和結(jié)晶溫度。
　　溫度場作用下，通過實驗和理論分析