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高電壓擊穿性能的絕緣材料

更新時(shí)間:2023-02-20      點(diǎn)擊次數(shù):1348

3 高擊穿性能固體電介質(zhì)的研究

    隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展傳統(tǒng)絕緣材料的介電性能已不能滿足系統(tǒng)要求需要提高材料的介電性能為了提高絕緣材料的擊穿特性大量研究集中在材料的改進(jìn)和開發(fā)上.


3.1 高儲(chǔ)能電介質(zhì)材料

    電力電容器儲(chǔ)能絕緣介質(zhì)材料的介電常數(shù)和擊穿 場(chǎng)強(qiáng)研究表明對(duì)電容器儲(chǔ)能密度而言其大小與介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比由此可見介質(zhì)材料 擊穿場(chǎng)強(qiáng)的提高可大大增加電容器介質(zhì)儲(chǔ)能密度和穩(wěn)定性聚合物材料具有較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)但其介電常 數(shù)較低而陶瓷絕緣介質(zhì)相反具有較高的介電常數(shù)但其擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低比較聚合物和陶瓷材料的優(yōu)缺點(diǎn)可知聚合物/陶瓷復(fù)合材料可能具有較高的擊穿和介電常數(shù)因而可具備較高的儲(chǔ)能密度在聚合物中添加 無機(jī)納米顆粒制備成納米復(fù)合電介質(zhì)材料可實(shí)現(xiàn)擊穿場(chǎng)強(qiáng)、介電常數(shù)的提升進(jìn)而提高介質(zhì)的儲(chǔ)能密度研究者采用超聲分散、真空攪拌、納米粒子表面處理 等方法改善納米粒子在基體中的分散性以及避免出現(xiàn) 孔洞通過原位和非原位化學(xué)制備方法可實(shí)現(xiàn)良好分 散的納米復(fù)合電介質(zhì)材料的制備.


3.2 納米復(fù)合電介質(zhì)

    與傳統(tǒng)微米復(fù)合電介質(zhì)相比納米電介質(zhì)中納米粒子由于比表面積大且活性高容易與高聚物基體形成大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的界面區(qū)這種復(fù)雜的界面改變了納米電介質(zhì)的介觀結(jié)構(gòu)和微觀參數(shù)提高了電介質(zhì)的電性能.

    納米粒子摻雜到聚合物基體中主要通過直接摻雜和表面偶聯(lián)改性后摻雜偶聯(lián)劑主要有胺基硅烷、三 乙氧基乙烯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷等從結(jié)構(gòu)來看偶聯(lián)劑的分子量較低且?guī)в卸嘶?/span>端基可以將粒子與基體通過化學(xué)鍵聯(lián)接一起增強(qiáng)二者間的作用強(qiáng)度紅外光譜結(jié)果可以證明此點(diǎn)4為納米SiO2經(jīng)不同偶聯(lián)劑改性后摻雜到交聯(lián) 聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)中所形成的復(fù) 合物擊穿特性可以看出經(jīng)偶聯(lián)劑處理后所有SiO2/ XLPE試樣的擊穿強(qiáng)度增大提高的效果為: triethoxyvinylsilane(TES)>aminopropyl-trimethoxysilane(AEAPS) >hexamethyldisilazane(HMDS). 進(jìn)一步的研究表明納米試樣的Tg比純XLPE5°C; XLPE、未經(jīng)改性和經(jīng)過AEAPS改性的試樣三種試樣的結(jié)晶度都約為 44%~45%; 經(jīng)TES改性后試樣的結(jié)晶度約為60%. 介電譜測(cè)試結(jié)果顯示未處理和TES處理后試樣的活化 能約為(0.18±0.09) eV, 經(jīng)AEAPSHMDS處理后試樣 的活化能約為0.31~0.34 eV. 熱刺激電流(thermally stimulated current, TSC)測(cè)試結(jié)果同樣顯示未處理和TES 處理試樣的C4峰的陷阱能級(jí)約為0.37~0.41 eV, 經(jīng) AEAPSHMDS處理試樣的陷阱能級(jí)約為2.0~2.4 eV. 這些結(jié)果表明偶聯(lián)劑類型影響粒子的表面狀態(tài)進(jìn)而 影響粒子與基體間的相互作用強(qiáng)度、交互區(qū)內(nèi)分子鏈 的排列及運(yùn)動(dòng)性能和交互區(qū)內(nèi)的陷阱等從而影響著 材料的擊穿性能.

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    納米粒子的含量、粒徑和類型影響納米復(fù)合電介 質(zhì)的體擊穿性能很多研究結(jié)果表明少量納米粒子可以提高復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng). LDPE/Al2O3  米復(fù)合電介質(zhì)的擊穿研究表明擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨納米 Al 2O3含量增加先增大后減小類似結(jié)果也出現(xiàn)在 LDPE/TiO2 、(聚酰亞胺)PI/SiO2 、(環(huán)氧樹脂) epoxy resin EP/SiO2 等納米電介質(zhì)中納米粒子的含 量決定著界面區(qū)體積分?jǐn)?shù)和相互作用少量納米粒子 在基體中形成較為獨(dú)立的界面區(qū)界面區(qū)體積分?jǐn)?shù)較大粒子間相互作用較弱界面區(qū)效應(yīng)明顯有利于提 高擊穿場(chǎng)強(qiáng)粒徑較小的納米粒子界面區(qū)的體積分?jǐn)?shù)較大金屬納米粒子與聚合物基體間界面區(qū)體現(xiàn)的庫(kù)侖阻塞效應(yīng)較明顯其擊穿場(chǎng)強(qiáng)較大這點(diǎn)可以在 EP/Ag納米電介質(zhì)中得到證實(shí)然而也有研究表明摻雜少量納米粒子降低了材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)如在EP 分別添加納米Al2O3TiO2, 粒子含量為0.10.5、1、510 wt%, 復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低了.

    納米復(fù)合電介質(zhì)擊穿機(jī)理除與聚合物介質(zhì)的擊穿 過程密切相關(guān)以外還受納米粒子特性尤其是納米粒 子與聚合物基體間的界面區(qū)物理化學(xué)特性影響納米 復(fù)合電介質(zhì)中納米粒子及界面區(qū)可以影響雪崩擊穿 過程中的電子加速、碰撞電離、平均自由行程(自由 體積)以及擊穿的二次效應(yīng)(空間電荷等), 從而改變材料的擊穿性能.

     研究表明納米粒子及界面區(qū)效應(yīng)會(huì)引入深陷阱改變陷阱深度和密度進(jìn)而改善納米復(fù)合電介質(zhì)的擊穿特性5是聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)提 升比例與陷阱深度的關(guān)系擊穿場(chǎng)強(qiáng)與納米粒子含量 的關(guān)系表明低含量納米粒子添加可以提升聚合物基 體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)而高含量納米粒子降低了基體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)納米復(fù)合電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的提升與其陷阱深度 成正比低含量摻雜時(shí)聚合物基體的深陷阱深度增加 (>1 eV), 減弱了電子加速、碰撞電離或抑制了熱電 "的產(chǎn)生改善了擊穿特性高含量時(shí)大量的納米粒 子及團(tuán)聚引入了較多淺陷阱(0.5~0.8 eV), 淺陷阱中的 載流子容易脫陷參與電荷輸運(yùn)過程從而降低了基體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)納米電介質(zhì)對(duì)擊穿的提升機(jī)理和陷阱特性與納米 粒子和聚合物分子鏈之間形成的復(fù)雜界面區(qū)密切相關(guān)6為納米粒子添加到聚合物中后與分子鏈的作用、 界面區(qū)及陷阱分布特性納米粒子位于聚合物基體中 的無定形區(qū)或結(jié)晶區(qū)中其小尺寸效應(yīng)和大的比表面 積導(dǎo)致其與聚合物分子鏈發(fā)生較強(qiáng)的相互作用形成 界面區(qū)如圖6(a)所示納米粒子的引入造成界面區(qū)分 子鏈重排或定向改變結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的分子鏈形 態(tài)從而改變基體的結(jié)晶度、玻璃化轉(zhuǎn)變過程另外研究表明界面區(qū)是一個(gè)分子鏈運(yùn)動(dòng)受束縛、有較強(qiáng) 化學(xué)鍵合的過渡區(qū)這會(huì)導(dǎo)致基體自由體積發(fā)生變化分子鏈與納米粒子表面形成較強(qiáng)的勢(shì)壘層以及界面 區(qū)雙電層分布6(b)是聚合物基絕緣介質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu) 模型和陷阱分布特性研究表明深淺陷阱分布影響載 流子入陷/脫陷進(jìn)而改變聚合物基體材料的電荷輸運(yùn) 過程深陷阱位于能級(jí)結(jié)構(gòu)中費(fèi)米能級(jí)附近載流子在 深陷阱入陷概率小出陷概率小影響載流子在電場(chǎng)下 參與電導(dǎo)的數(shù)目和平均自由行程減小了導(dǎo)電載流子 在電場(chǎng)中加速積累能量增大了擊穿場(chǎng)強(qiáng)納米粒子 引入的界面區(qū)效應(yīng)導(dǎo)致體系深陷阱深度或密度增加或引入了新的深陷阱改善了擊穿特性淺陷阱分布在導(dǎo)帶和價(jià)帶邊緣入陷的載流子容易脫陷參與電荷 輸運(yùn)過程促進(jìn)了擊穿的發(fā)生。

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3.3 新型高擊穿性能聚合物介質(zhì)

     聚合物的宏觀性能取決于其微觀分子結(jié)構(gòu)通過化學(xué)合成可以制備出擊穿性能優(yōu)異的聚合物介質(zhì)材料選取不同的反應(yīng)前軀體(芳香族二酐和二胺), 設(shè)計(jì)聚合物內(nèi)部微觀分子結(jié)構(gòu)合成具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)和微觀形貌的聚酰亞胺結(jié)果表明聚酰亞胺B3的擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于B4. 這種不同單體組成的聚酰亞胺合成結(jié)構(gòu)改 變了聚酰亞胺主鏈的極化基團(tuán)密度從而影響合成聚酰亞胺的介電性能(1). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聚酰亞胺中的醚鍵結(jié)構(gòu)易破壞共軛結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聚合物材料禁帶寬度增大提升了材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)因此選擇合適 的反應(yīng)前軀體可提高聚酰亞胺的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng).

     研究者制備出了一種新型介電聚合物——芳香族 聚硫脲(ArPTU), 試樣厚度為5 μm時(shí)其擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)1 GV/m. 結(jié)合高溫?cái)D壓、機(jī)械拉伸兩種方法制備出 高質(zhì)量的聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, P(VDF-CTFE))共聚物薄膜這種材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)提高 700 MV/m. 擊穿結(jié)果表明這種材料的特征擊穿場(chǎng)強(qiáng)為618.4 MV/m, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)分布在400~800 MV/m PVDF基礎(chǔ)上進(jìn)一步改性得到的三元共聚物 P(VDF-TrFE-CFE), 介電常數(shù)在室溫下高達(dá)50(1 kHz), 擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)400 MV/m.

    在計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)方面通過仿真電場(chǎng)下材 料內(nèi)部碰撞電離、能量累積與材料本征聲子散射強(qiáng)度 和最大聲子頻率的關(guān)系基于密度泛函理論采用量子化學(xué)計(jì)算方法獲得設(shè)計(jì)的材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)關(guān)鍵參數(shù)最大聲子頻率(ωmax)和禁帶寬度(Eg). 根據(jù)這種模型 過算法選擇高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的鈣鈦礦材料根據(jù)密度泛函 理論通過第一性原理計(jì)算材料特征參數(shù)如特征振動(dòng) 角頻率ωmax和禁帶寬度Eg. 結(jié)果表明硼元素的加入可 提高材料(BSiO2FSrBO2F)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。


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