热激电流设备的改进及Al2O3/PI复合薄膜特性研究

摘要

无机纳米颗粒杂化聚酰亚胺具有优良力学、电学、热学等性能，广泛应用在航空航天、机械、电气和微电子等高科技领域。聚酰亚胺的掺杂及结构缺陷会引入电荷陷阱，陷阱俘获电子形成的空间电荷改变介电材料中电场分布，使其成为影响介电材料老化和击穿特性的主要因素。热激电流是研究聚合物材料结构、空间电荷贮存与输运的重要工具，可以有效地表征材料的浅陷阱能级分布。
　　本文介绍了热激电流测试设备的工作原理，针对现有热激电流设备温度控制不准确及由温度响应速度对热激电流测量产生的影响等问题进行简要分析。通过采用铜箔(0.07mm)代替原有厚度为35mm的铜电极，降低电极系统热容量，用圆形无电感加热板代替原有加热棒，提升电极表面温度分布的均匀性，减小加热时产生的感应电流对测试的影响。改进的热激电流测试设备具有温度响应速度快、升温线性度好、电流信号精度高等特点。
　　为适应热激电流需要大厚度薄膜的测试手段，本文研究制备了厚度可达400μm的聚酰亚胺基复合薄膜的制备工艺，在此基础上，制备了气相和非气相Al2O3纳米颗粒掺杂的复合薄膜，纳米颗粒尺寸分别为20nm和30nm，组分分别为5wt％、10wt％和15wt％。利用扫描电镜观察薄膜断面形貌，结果表明，薄膜均匀性好，拉伸强度由纯PI膜的150mPa提升至172mPa。
　　本文对制备的Al2O3复合薄膜进行热激电流分析，在相同组分下，气相Al2O3纳米颗粒尺寸越小，复合薄膜中电荷陷阱越多，引入更多浅电荷陷阱，电荷陷阱密度加大;通过分峰法计算出掺杂量15wt％的比掺杂量5wt％的复合薄膜在高温α峰处的陷阱密度高出一倍;气相Al2O3杂化薄膜的热激电流峰值高于非气相颗粒约20pA，气相Al2O3纳米颗粒掺杂使纯聚酰亚胺薄膜的击穿场强由170kV提高到241kV，气相Al2O3掺杂比非气相Al2O3掺杂聚酰亚胺薄膜的耐电晕老化时间延长19h。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 聚酰亚胺的性能

1．3 热激电流的发展及研究意义

1．3．1 聚合物空间电荷研究的发展概况

1．3．2 基于热激电流法研究聚酰亚胺空间电荷

1．4 论文研究目的及主要研究工作

第2章 实验材料与方法

2．1 实验材料与仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．2 结构表征与拉伸强度

2．3 电性能测试

2．3．1 热激电流测试

2．3．2 电晕老化

2．4 本章小结

第3章 热激电流测试设备及样品制备

3．1 热激电流测试设备简介

3．1．1 热激电流设备工作原理

3．1．2 热激电流设备结构及其不足

3．2 热激电流设备改进方案

3．2．1 改进电极结构

3．2．2 改进样品室温度控制方式

3．3 设备改进前后性能对比

3．4 本章小结

第4章 纳米Al2O3／PI复合厚膜制备与表征

4．1 模具法制备纳米Al2O3／PI复合厚膜

4．2 制备纳米颗粒杂化聚酰亚胺厚膜

4．3 薄膜断面形貌和红外光谱

4．3．1 Al2O3类型对聚合物断面微观形貌的影响

4．3．2 复合薄膜亚胺化程度

4．4 薄膜的击穿场强、耐电晕性能和拉伸强度

4．4．1 气相与非气相Al2O3复合薄膜绝缘性能

4．4．2 聚酰亚胺厚膜拉伸强度

4．5 本章小结

第5章 Al2O3／PI的热激电流特性

5．1 热激电流测试步骤

5．2 气相与非气相Al2O3／PI的热激电流特性

5．2．1 热激电流谱原理

5．2．2 气相与非气相Al2O3复合薄膜热激电流谱

5．3 气相Al2O3／PI激电流特性与分析

5．3．1 组分对复合薄膜热激电流特性的影响

5．3．2 颗粒尺寸对复合薄膜热激电流特性的影响

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢