酸酐接枝剂对Al2O3/LDPE体系的陷阱能级及陷阱密度的影响

摘要

纳米聚乙烯型复合材料具有优良的电学性能，广泛用于高压及超高压直流输电线缆上，而在长时间直流高压电场作用下聚合物绝缘介质中会积累空间电荷，这部分空间电荷会引起介质内部的电场发生畸变，进而使局部场强高于击穿场强，介质发生击穿损坏，有些纳米颗粒掺杂能够显著地抑制介质中的空间电荷注入，但目前还不清楚具体的作用机理。
　　本文通过研究经酸酐接枝剂改性的氧化铝/聚乙烯(Al2O3/LDPE)体系的陷阱能级的变化来探讨上述机理并深入研究抑制Al2O3/LDPE体系空间电荷的理化性质。主要运用光激放电方法来测量纳米聚乙烯体系的陷阱能级与陷阱密度，并引入聚合物空间电荷理论和聚合物界面理论来解释酸酐这种结构能够很好地抑制Al2O3/LDPE体系的陷阱形成，并得到不同酸酐接枝剂物质量浓度对掺有不同组分的纳米Al2O3/LDPE体系陷阱能级的影响强度。通过接枝聚合及超声共混方式制备了酸酐接枝的聚乙烯(MAH/LDPE)及酸酐修饰的Al2O3/LDPE和MAH/Al2O3/LDPE纳米复合材料，再通过热压薄膜复合工艺制得样品薄膜。采用傅里叶红外光谱表征了酸酐接枝聚乙烯(MAH/LDPE)及酸酐修饰的Al2O3/LDPE体系的接枝改性情况，确认了接枝产物以及高温氧化产物。结果显示，酸酐类接枝占MAH/LDPE总体系质量分数为16.7％时接枝率最大。采用光激放电方法(PSD)深入研究了MAH/LDPE、MAH/Al2O3/LDPE两个体系的陷阱能级与陷阱密度。结果显示，在无纳米颗粒的MAH/LDPE体系下，不同浓度酸酐类接枝剂会对LDPE陷阱能级分布有显著影响，且随着酸酐类接枝剂含量的增加会使LDPE的浅陷阱数量增多。而当酸酐接枝剂被破坏时，LDPE的浅陷阱又随着酸酐类接枝剂的破坏程度增加而使LDPE浅陷阱数减少，并出现少量深陷阱;且该种结构性破坏不能使LDPE的陷阱能级恢复到原始形态，说明LDPE的浅陷阱不仅受酸酐结构影响，还受LDPE的局部界面特性影响。而在有纳米Al2O3颗粒的MAH/Al2O3/LDPE体系下，酸酐类接枝剂会对通过掺入纳米颗粒形成新陷阱有抑制作用，并能有效的降低纳米Al2O3/LDPE体系的陷阱密度，且对掺杂高质量分数的纳米Al2O3/LDPE复合材料的抑制作用更为明显。运用聚合物空间电荷理论和聚合物界面理论来解释经酸酐接枝改性的Al2O3/LDPE体系的陷阱能级和陷阱密度变化的原因，并阐述酸酐接枝剂对纳米复合材料中的空间电荷的注入有显著的抑制作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 PSD测量方法研究概况的研究概况

1．3 聚乙烯纳米复合材料的研究概况

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 聚合物的接枝理论和空间电荷理论

2．1 引言

2．2 溶胀基本原理

2．2．1 溶胀的一般描述

2．1．1 溶胀过程与溶胀条件

2．1．2 相似相容原理

2．3 聚合物接枝理论

2．3．1 引言

2．3．2 聚合物／单体相容性

2．3．3 溶解过程热力学

2．3．4 溶度参数δ

2．4 界面活性理论

2．4．1 界面之间的一般概述

2．4．2 笛卡尔体系下的界面

2．4．3 复合材料界面机理

2．5 聚合物空间电荷理论

2．5．1 聚合物中空间电荷的形成机理

2．5．2 聚合物中光电效应和光载流子

2．5．3 聚合物中激子在电极／半导体界面上的离解过程

2．5．4 由激子和受俘获载流子的相互作用产生的激子离解

2．5．5 自由电离过程

2．6 光激电流表征方法

2．6．1 光激电流原理

2．6．2 光激电流参数计算

2．7 本章小结

第3章 MAH／Al2O3／LDPE纳米复合材料的制备与成膜

3．1 引言

3．2 实验仪器与原材料

3．2．1 实验仪器

3．2．2 实验原材料

3．3 LDPE／MAH／Al2O3纳米复合物的制备

3．3．1 LDPE／MAH纳米复合物的制备

3．3．2 LDPE／Al2O3纳米复合物的制备

3．3．3 LDPE／MAH／Al2O3纳米复合物的制备

3．3．4 复合成膜工艺

3．3．5 LDPE／MAH的接枝产物的FT-IR谱测试

3．4 本章小结

第4章 光激电流的测试与表征

4．1 引言

4．2 光激放电测试系统简介

4．3 恒温样品室的设计

4．4 整个测试系统的运行方式

4．5 MAH／Al2O3／LDPE的纳米复合材料的PSD能谱分析

4．5．1 样品薄膜处理

4．5．2 干扰项的能量归一化处理

4．5．3 经MAH改性后的LDPE的PSD连续扫描结果分析

4．6 MAH／Al2O3／LDPE纳米复合材料的PSD连续扫描结果分析

4．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢