聚乙烯/纳米蒙脱土复合物的空间电荷特性与介电性能研究

摘要

介质内部的空间电荷行为在工程电介质电老化击穿过程中起着极其重要的作用，已经成为制约高压电力设备发展的一个不可忽视的因素。特别是高压直流电缆中所出现的空间电荷问题，已经引起了国内外越来越多的关注。人们正尝试利用各种方法来抑制空间电荷的产生与积累，以减小由于空间电荷效应对绝缘带来的损伤。在聚合物绝缘中添加纳米粒子抑制空间电荷的方法就是目前所采取的有效措施之一。
　　本文以低密度聚乙烯(LDPE)为基体聚合物，以采用不同有机化处理的层状蒙脱土(O-MMT和S-O-MMT)为无机填料，以马来酸酐接枝聚乙烯(PEMA)为相容剂，双叔丁基过氧化二异丙基苯(BIPB)为交联剂，分别采用熔融插层法和熔融插层复合化学交联两步法制备了聚乙烯/有机化蒙脱土(PE/O-MMT、PE/S-O-MMT)纳米复合物和交联聚乙烯/有机化蒙脱土(XLPE/O-MMT)纳米复合物。分别利用X-射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对纳米蒙脱土结构及聚乙烯/纳米蒙脱土复合物的结构进行了分析表征。结果表明:经有机化处理后蒙脱土片层间距由1.25 nm增加至2.39 nm;红外光谱中的不对称-CH3及-CH2-吸收峰证明，插层剂和偶联剂分别与蒙脱土中阳离子和羟基发生了化学反应;在相容剂的协同作用下，O-MMT在LDPE中呈现出剥离型的均匀分散状态。
　　利用电声脉冲法(PEA)试验研究了PE/O-MMT和XLPE/O-MMT纳米复合物的空间电荷特性。对比研究了蒙脱土含量、偶联剂、相容剂等对复合物交流击穿、电树枝、电导以及介质损耗特性等的影响。含有O-MMT的PE/O-MMT试样和XLPE/O-MMT试样都表现出不同程度的抑制空间电荷的能力。纯LDPE试样在阴极附近存在同极性电荷，而PE/O-MMT试样则在阴极附近存在少量异极性电荷，且短路时电荷的释放速度也较缓慢;PE/S-O-MMT和PE/C/O-MMT与PE/O-MM相比，电极附近的异极性电荷几乎消失不见，且短路时电荷的释放变得更缓慢。O-MMT的引入使复合材料的介电常数ε减小，而介电损耗因数tanδ则略有提高。其中:3 wt％ S-O-MMT掺量的复合材料试样ε减小最明显。所有含O-MMT的试样，绝缘电导率都不同程度地减小，而其击穿场强则显著提高。尤其是在实验温度为60～90℃时，加入相容剂PEMA的复合材料试样其击穿场强为LDPE的1.35～1.70倍。与LDPE试样相比，在相同引发条件下，含O-MMT的复合材料试样其电树枝生长速度和长度明显减小，且LDPE试样的电树枝形状主要表现为非导电性的稀疏“枝状”，而PE/O-MMT试样则更趋向于导电性的稠密“丛状”。
　　本文在试验研究了无机纳米蒙脱土对LDPE空间电荷特性、介电性能、击穿性能影响的基础之上，利用“陷阱理论”，建立了基于无机纳米蒙脱土界面结合状态调控的电子陷阱复合中心的物理模型;根据Tanaka提出的多核模型以及无机纳米蒙脱土层状结构的特点，利用非辐射能量转移理论，提出了纳米蒙脱土片层以电-声耦合方式消耗热电子能量以及诱导电子漫反射的观点。

目录

封面

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源和研究背景

1．2 无机纳米复合电介质的研究现状

1．2．1 纳米粒子的基本效应

1．2．2 纳米电介质的发展概述

1．2．3 纳米电介质的界面结构模型

1．2．4 纳米复合电介质空间电荷特性的研究进展

1．3 聚合物的电击穿理论概述

1．4 空间电荷对聚合物老化和击穿的影响

1．5 本文的主要工作及研究内容

第2章 聚乙烯基纳米蒙脱土复合物的制备与结构表征

2．1 无机纳米蒙脱土的制备

2．1．1 实验材料和设备

2．1．2 纳米MMT粒子的表面修饰

2．2 纳米复合物的制备

2．3 结构表征

2．3．1 X射线衍射分析

2．3．2 FTIR光谱特性分析

2．3．3 PE／O-MMT复合物微域结构分析

2．4 本章小结

第3章 聚乙烯基纳米蒙脱土复合物的空间电荷特性

3．1 空间电荷的理论基础

3．2 聚合物的空间电荷陷阱理论

3．2．1 电荷陷阱的形成

3．2．2 电荷陷阱的本质

3．3 聚乙烯基纳米蒙脱土复合物的空间电荷性能

3．3．1 PE／O-MMT体系的空间电荷特性

3．3．2 PE／S-O-MMT体系的空间电荷特性

3．3．3 PE／C／O-MMT体系的空间电荷特性

3．3．4 XLPE／O-MMT体系的空间电荷特性

3．4 加压时间对复合材料空间电荷特性的影响

3．5 复合材料的热激电流特性与基于界面局域态的理论分析

3．5．1 复合材料的热激电流特性

3．5．2 基于界面局域态的理论分析

3．6 本章小结

第4章 聚乙烯基纳米蒙脱土复合物的介电性能

4．1 纳米复合材料的宽频介电性能

4．2 纳米复合材料的电导与击穿性能

4．3 纳米复合材料的电树枝性能

4．4 基于电子输运机制与电-声耦合的理论分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间所获专利

致谢