低密度聚乙烯空间电荷界面注入与体输运的仿真与实验研究

摘要

聚乙烯等高聚物材料以其优异的电气性能在高压绝缘领域得到广泛应用。在交流或直流电场作用下,聚乙烯材料中会产生较强的空间电荷积累。这些空间电荷会诱发各种空间电荷效应,严重影响聚乙烯材料的绝缘性能和老化过程,很大程度上限制了聚乙烯材料的应用范围。因此聚乙烯中的空间电荷问题已成为高压绝缘领域的前沿研究课题。近年来,国际上已发展出多种先进方法来直接测量聚合物在电场作用下的空间电荷分布信息,也有学者利用空间电荷注入,迁移及释放过程中的光,电,热等信息来分析空间电荷特性。然而,由于聚乙烯半结晶态的结构特点,影响其微观结构及陷阱特性的因素众多,因此常导致实验中观测到的空间电荷分布数据分散性较大,难以从理论上对其进行统一的解释。本文结合国内外学者的研究成果,以低密度聚乙烯材料为研究对象。探讨了影响空间电荷输运特性的关键因素,在此基础上建立数值模型对不同的空间电荷输运行为的实验结果进行了仿真模拟研究,并利用飞行时间法对表征聚乙烯材料中空间电荷运动的关键参数--载流子迁移率进行了测量。
　　 本文首先详细讨论了聚合物中空间电荷输运模型的建立方法,通过将电荷的传导过程抽象为注入,迁移,捕获等基本物理过程,并分别利用场限制空间电荷理论来描述空间电荷的注入过程,采用有效迁移率来描述载流子在聚合物中的迁移过程,使用能带模型来描述载流子陷阱的入陷脱陷及复合过程等方法来建立一个描述空间电荷在聚乙烯中输运行为的数值仿真模型,并就该模型在计算机上的算法实现做了简单介绍。
　　 基于压力波及电声脉冲等方法测量得到的空间电荷分布信号表征的是样品内部的净电荷分布,由于不同产生机制及不同极性的空间电荷分布信号会互相叠加,因此难以反映出空间电荷来源及电荷的真实输运情况。本文通过在低密度聚乙烯样品上添加聚偏氟乙烯(PVF)薄膜作为阻挡层的方法,使用激光压力波法作为测量手段,对电极注入电荷与体内杂质解离电荷进行区分,研究了不同型号低密度聚乙烯材料中的空间电荷来源问题；通过单极性阻挡的方式分别研究了注入电子与注入空穴在经不同热处理工艺后的低密度聚乙烯样品中的迁移情况,发现热处理过程对电荷的输运会产生较大影响:冷却速率慢的样品中空间电荷难以形成较大积累,注入电荷能够快速迁移过整个样品,而冷却速率快的样品易产生较多的电荷积累,注入电荷在迁移到样品中部时便几乎不再移动,造成差异的因为初步判断是电荷从电极注入存在阈值电场以及不同热处理过程造成的样品体内陷阱能级深度的变化所致,通过改变数值模型的陷阱能级深度参数对单极性注入电荷迁移的实验结果进行了仿真,模拟结果与实验结果符合较好,并发现陷阱能级深度与电荷的阈值性注入是影响空间电荷分布的重要因素。
　　 聚乙烯中的空间电荷包行为是空间电荷的一种特殊的输运行为。研究结果表明,空间电荷包行为由于受材料本身特性,外加电场大小以及环境温度等的影响,导致其产生过程及传输特性上存在较大差异。这些因素的复杂性给空间电荷包行为产生的机理研究带来了较大困难。本文借鉴产生半导体中耿氏效应的负微分迁移率机制来描述电荷包的形成机理,并结合载流子的注入条件及体内陷阱对电荷包行为的影响等因素,探讨了不同外加电场及不同深度陷阱能级对电荷包迁移行为的影响；通过在已建立的电荷输运模型上引入电场对有效迁移率的作用,提出在高于阈值电场时,载流子迁移速率和电场关系存在负微分迁移率的假设,对文献中报道的两类外加场强不同且迁移趋势各异的空间电荷包行为进行了模拟仿真,模拟结果与实验结果取得较好的一致,模拟结果表明,聚乙烯材料在高场下可能产生的负微分迁移率是产生空间电荷包行为的主要因为,其与材料电极注入情况及体内陷阱态的共同作用导致了空间电荷包行为迁移的多样性。
　　 载流子迁移率作为反映载流子在电场作用下的运动能力的物理量,是描述聚合物材料中电荷运动的重要参数。由于聚合物材料中的载流子迁移率较低,对其测量有很大难度。本文通过使用紫外激光在聚乙烯薄膜表面薄层内激发出载流子,测量载流子在外置偏压作用下迁移到背电极产生的感应电流信号来确定载流子的迁移时间来确定载流子迁移率的飞行时间法来测量聚乙烯薄膜样品中的载流子迁移率。通过利用自行搭建的飞行时间法测量系统,对镀金电极的纯聚乙烯薄膜样品以及以硅和硒作为载流子产生层的聚乙烯薄膜样品中的载流子迁移率进行了测量。实验结果表明,双面镀金电极的聚乙烯薄膜在较高场强下存在着同极性电荷注入,入射光子可同时在薄膜光照表面与背电极处同时激发出载流子,实际测量信号是这两种载流子运动产生的瞬态电流信号的叠加。单面镀金电极的聚乙烯薄膜样品可以消除背电极在光刺激下注入的载流子信号影响,但受聚乙烯材料中陷阱的影响,光激发载流子无法穿越整个样品到达背电极,导致测得迁移率偏大。使用硅和硒作为载流子产生层的样品都无法测出准确的飞行时间信号,其因为可能与半导体材料与聚乙烯之间存在较强的界面势垒有关。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 空间电荷效应及其对材料电气性能的影响

1.2.1 空间电荷的形成和本质

1.2.2 空间电荷效应及对聚合物材料老化击穿性能的影响

1.3 空间电荷的测量技术进展

1.4 空间电荷在聚乙烯材料中的输运过程

1.4.1 聚乙烯材料中的空间电荷注入

1.4.2 聚乙烯材料中的空间电荷传输

1.5 聚乙烯的微观结构对空间电荷注入及输运行为的影响

1.5.1 聚乙烯的微观形态特征

1.5.2 结晶形态对空间电荷注入及输运行为的影响

1.5.3 场致应力导致的微观形态改变对空间电荷注入及输运行为的影响

1.6 本文的主要研究内容

第2章 聚乙烯电荷注入及迁移行为的物理模型

2.1 理论基础

2.1.1 界面电荷的注入过程

2.1.2 载流子在聚乙烯中的输运过程

2.1.3 载流子迁移过程中的俘获与脱陷过程

2.2 聚乙烯中空间电荷输运模型的建立

2.2.1 初始条件设定

2.2.2 泊松方程的数值算法

2.2.3 电流连续性方程的数值算法

2.3 本章小结

第3章 加阻挡层的聚乙烯中空间电荷输运特性实验及仿真

3.1 不同型号低密度聚乙烯样品的空间电荷来源实验

3.1.1 样品制备

3.1.2 实验结果

3.1.3 讨论

3.2 注入电荷在低密度聚乙烯样品中的输运特性实验

3.2.1 样品制备

3.2.2 实验结果

3.2.3 讨论

3.3 基于恒定迁移率假设模型的聚乙烯空间电荷输运特性的模拟仿真

3.3.1 影响低密度聚乙烯空间电荷分布特性的因素讨论

3.3.2 恒定迁移率表征下的聚乙烯电荷输运模型

3.3.3 模拟参数

3.3.4 仿真结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 聚乙烯材料中空间电荷包输运特性的仿真研究

4.1 空间电荷包行为的研究现状

4.2 低密度聚乙烯中空间电荷包行为的机理研究及仿真模型建立

4.2.1 空间电荷包行为机理研究

4.2.2 基于负微分迁移率的空间电荷包输运模型

4.2.3 空间电荷包行为产生及迁移行为的物理描述

4.3 空间电荷包行为的模拟仿真

4.3.1 模拟参数

4.3.2 低场下空间电荷包的模拟结果

4.3.3 高场下电荷包的模拟结果

4.3.4 双极性注入型空间电荷包行为的模拟结果

4.3.5 对不同陷阱模型下模拟结果的讨论

4.4 本章小结

第5章 低密度聚乙烯中载流子迁移率的实验测量研究

5.1 实验方案与样品制备

5.1.1 飞行时间法原理

5.1.2 测量装置的光路系统

5.1.3 测量装置的电路系统

5.1.4 样品制备

5.2 无载流子产生层样品的测量信号

5.2.1 双面镀金样品的实验结果

5.2.2 分析与讨论

5.2.3 单面镀金样品的实验结果

5.2.4 分析与讨论

5.3 加载流子产生层样品的飞行时间信号

5.3.1 以硅为载流子产生层的实验结果

5.3.2 讨论

5.3.3 以硒为载流子产生层的实验结果

5.3.4 讨论

5.4 本章小结

第6章 结论

致谢

参考文献

个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果