微米、纳米以及微-纳米SiO2/LDPE复合材料中的空间电荷特性研究

摘要

无机纳米填料改性聚合物可以有效抑制聚合物中空间电荷的积累，提高其绝缘水平和耐压能力。但由于纳米颗粒尺寸小，比表面积大，表面活性高，因此在制备、存储及使用过程中极易发生团聚而丧失其优越的性能；而微米颗粒尺寸相对较大，比表面积较小，本身不具备纳米粒子的特性。但是其耐电腐蚀能力较好。如若将微米粒子和纳米粒子共同混入到聚合物中，在保持纳米粒子优异性能的同时，通过调整微、纳米粒子的配比，利用二者的协同效应，甚至有可能使微纳米复合材料的介电性能超越同等含量下的单一纳米复合材料。
　　本文首先制备出纯LDPE试样，然后在聚乙烯原料中分别添加相同含量的Micro-SiO2和Nano-SiO2制备出微米复合材料和纳米复合材料，而后向聚乙烯中同时加入Micro-SiO2和Nano-SiO2制备出微-纳米复合材料，又分别以微米复合材料为母料添加Nano-SiO2、以纳米复合材料为母料添加Micro-SiO2制备出另外两种微-纳米复合材料，共六种试样。前四者为一组，研究微、纳米填料和两者的协同作用对聚乙烯介电性能的影响；三种微-纳米复合材料为一组，研究微-纳米复合材料中微米颗粒与纳米颗粒添加的先后顺序不同对材料介电性能产生的影响。
　　通过对两组试样的化学结构和结晶形态的表征，以及对空间电荷行为、电导率和直流击穿等介电性能的测量，发现微、纳米SiO2添加到聚乙烯中后可以作为成核中心减小并均化晶粒尺寸，提高复合材料的结晶度，进而通过界面陷阱的调制作用，降低载流子迁移率，抑制空间电荷的积累，提高其击穿场强。其中Nano-SiO2对聚乙烯的改性效果最好，微、纳米共混次之，Micro-SiO2效果最差，这可能跟填料比表面积大小有关。Nano-SiO2/PE复合材料的晶粒尺寸相对纯LDPE降低了一半，电导率降低了94.2％，短路后残余电荷降低了70%，直流击穿场强提高了20.1%。
　　微、纳米粒子的添加顺序能够在很大程度上影响微-纳米复合材料的绝缘性能，先微后纳制备的复合材料其晶粒尺寸相对纯LDPE降低了47.4%，电导率降低了91%，短路后电荷残余量降低了67%，直流击穿场强提高了17.4%，原因可能是Micro-SiO2能够将聚乙烯分子链撑开，便于Nano-SiO2的进入以降低团聚效应。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2微-纳米复合材料介电性能的研究现状

1.3空间电荷的研究现状

1.4课题来源及研究内容

第2章 试样制备及介观结构表征

2.1复合材料的制备

2.2复合材料FTIR分析

2.3复合材料DSC实验

2.4复合材料的结晶形态

2.5本章小结

第3章 材料的空间电荷测试

3.1空间电荷理论及测试原理

3.2纯LDPE及不同类型的复合材料中的空间电荷特性

3.3微-纳米复合材料中的空间电荷特性

3.4本章小结

第4章 复合材料的其它介电性能研究

4.1绝缘电导率性能分析

4.2复合材料的击穿特性

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢