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復(fù)合材料的介電強(qiáng)度研究(電壓擊穿試驗(yàn)儀)

閱讀:1045發(fā)布時(shí)間:2023-9-24

納米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度研究

1給出了三種納米復(fù)合材料的特征擊穿強(qiáng)度與納米顆粒含量的關(guān)系??梢钥闯觯{米復(fù)合材料的特征擊穿強(qiáng)度的總體變化趨勢是相似的,即隨著納米顆粒的增加都呈逐漸下降趨勢。但也可以看出,納米顆粒的表面改性或相容劑的引入都對復(fù)合材料的特征擊穿強(qiáng)度產(chǎn)生了影響。非常有意義的一點(diǎn)是,當(dāng)納米顆粒的濃度超過14%時(shí),只有復(fù)合材料Ss仍然保持一定的介電強(qiáng)度

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1

 

金屬顆粒是絕緣材料中的主要電缺陷之一,他們的引入是造成聚乙烯的介電強(qiáng)度減小的主要原因。在電場下,納米金屬顆粒具有增強(qiáng)局部電場的作用,可以使顆粒周圍的電場遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過絕緣材料的介電強(qiáng)度,因而引發(fā)絕緣基體的擊穿。在這里我們主要討論具有相同納米顆粒含量的復(fù)合材料的介電強(qiáng)度,找到影響復(fù)合材料介電強(qiáng)度的主要因素。

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金屬顆粒的電場增強(qiáng)作用可以通過電場增強(qiáng)因子乘以拉普拉斯應(yīng)力來進(jìn)行描述。對于一個(gè)顆粒填充的絕緣體體系而言,材料的介電強(qiáng)度與顆粒的介電常數(shù)以及顆粒的形狀因子有關(guān)。

根據(jù)圖2,可以看出金屬顆粒造成的局部電場增強(qiáng)與納米顆粒的形狀因子密切相關(guān)。除了形狀因子,顆粒造成的局部電場增強(qiáng)與顆粒的尺寸也有重要的關(guān)系,顆粒尺寸越大,電場增強(qiáng)越明顯。綜合考慮以上兩種因素,納米顆粒的表面處理或相容劑的引入改善了納米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度的原因是,這些手段改善了納米顆粒的分散狀況(包括納米顆粒團(tuán)簇的大小以及形狀因子)。

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2

 

微觀結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果很好地支持了上述結(jié)論。根據(jù)第四章中圖4,11的結(jié)果,納米顆粒經(jīng)過表面化學(xué)處理以后,分散性得到了較大程度的改善,不僅納米顆粒團(tuán)簇的尺寸較小,而且納米顆粒團(tuán)簇的形狀也比較接近球形。相比之下,相容劑的引入則有限地改變了納米顆粒的分散,如圖5,9所示。納米顆粒的濃度低于14%時(shí),顆粒的分散性要好于復(fù)合材料Ns。但顆粒濃度超過14%時(shí),納米顆粒的分散性反而變的比復(fù)合材料Ns更差,不僅出現(xiàn)了大量的大尺寸的納米顆粒團(tuán)簇,而且這些團(tuán)簇具有非常不規(guī)則的形狀、彼此之間互相接觸。這也就說明了為什么當(dāng)顆粒的濃度低于14%時(shí),納米復(fù)合材料Ls的介電強(qiáng)度高于復(fù)合材料Ns,而當(dāng)顆粒濃度超過14%時(shí),納米復(fù)合材料Ls失去了介電強(qiáng)度。納米顆粒含量較高時(shí),納米顆粒之間的平均距離很小,彼此之間有很強(qiáng)的相互作用,相容劑很難起到分散納米顆粒的目的,這說明,采用相容劑分散納米顆粒的辦法,只適用于納米顆粒的濃度比較低的情況。

 

weibull統(tǒng)計(jì)參數(shù)中,E0和β分別代表特征擊穿強(qiáng)度以及介電強(qiáng)度分散因子,E0值越大,表示擊穿強(qiáng)度越高;β越小表示擊穿強(qiáng)度越分散。因?yàn)閾舸?qiáng)度的分散直接與材料結(jié)構(gòu)的均一性有關(guān),所以β值可以用來評價(jià)復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)-顆粒的分散情況。圖3給出了納米顆粒含量為8%的三種復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度的weibull分布曲線。根據(jù)計(jì)算,PE,S-8,L-8和N-8的β值分別為11,58,11,34,10,14以及6,39,復(fù)合材料N-8的β值低,這說明介電強(qiáng)度的分散最為嚴(yán)重、納米顆粒的分散性最差,這與復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果是一致。

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3

 

另一個(gè)影響復(fù)合材料介電強(qiáng)度的因素是金屬顆粒與聚合物基體間的界面粘結(jié)。納米顆粒經(jīng)過表面化學(xué)改性以后,顆粒表面化學(xué)吸附的辛基硅烷與聚合物基體之間具有很好的相容性,因此金屬顆粒與聚合物基體之間的粘結(jié)性好,存在微孔等缺陷的機(jī)會(huì)大大減少,這是納米復(fù)合材料Ss介電強(qiáng)度增強(qiáng)的原因之一[4]。對于納米復(fù)合材料Ls而言,低濃度時(shí),相容劑的引入改善了納米顆粒與聚合物基體間的粘結(jié)性,這可能是納米復(fù)合材料Ls介電強(qiáng)度增強(qiáng)的主要原因之一。值得注意的時(shí),在非常低的濃度下(1%和2%),納米復(fù)合材料Ls的特征擊穿強(qiáng)度要高于納米復(fù)合材料Ss,這可能是由于極性相容劑的引入造成的。研究表明,極性聚合物的加入可以提高非極性聚合物的介電強(qiáng)度,機(jī)理是極性基團(tuán)的引入可以較大程度的減小材料內(nèi)部的有效電場強(qiáng)度,極性聚合物可以增強(qiáng)對電子的散射等。

介電擊穿可以看作是電子或離子等載流子造成的介質(zhì)的破壞,也就是載流子在電場的作用下破壞晶格中的化學(xué)鍵或打斷分子鏈[9]。對于聚乙烯等類似的非極性聚合物,其內(nèi)部的載流子密度很小,因此外部引入的載流子對聚乙烯的擊穿強(qiáng)度可能有較大的影響。圖4給出了三種納米復(fù)合材料的直流電導(dǎo)與顆粒濃度的關(guān)系??梢钥闯觯{米顆粒的引入明顯得增加了聚合物材料的電導(dǎo)。納米顆粒濃度低于10%時(shí),復(fù)合材料具有相同的電導(dǎo),而納米顆粒的濃度高于10%時(shí),復(fù)合材料Ns具有比復(fù)合材料Ss高的多的電導(dǎo),特別是復(fù)合材料Ns的電導(dǎo)在納米顆粒濃度為14%時(shí)達(dá)到了飽和,而正是在這個(gè)濃度納米復(fù)合材料Ns失去了介電強(qiáng)度,因此,納米復(fù)合材料Ns在高納米顆粒濃度時(shí)失去介電強(qiáng)度可能與復(fù)合材料具有高的電導(dǎo)有關(guān)。對于納米復(fù)合材料Ls,盡管納米顆粒的濃度超過14%時(shí)的復(fù)合材料的電導(dǎo)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于復(fù)合材料Ss和復(fù)合材料Ns,但復(fù)合材料還是失去了介電強(qiáng)度。綜合以上結(jié)果,可以看出,外來載流子不是影響復(fù)合材料介電強(qiáng)度的最主要因素。事實(shí)上,根據(jù)圖5,10的結(jié)果,納米顆粒的嚴(yán)重團(tuán)聚正是造成復(fù)合材料Ls在高納米顆粒含量下具有相對很低的電導(dǎo)率的原因。在低納米顆粒含量時(shí),馬來酸酐接枝聚乙烯(Ma-PE)可以起到一定的分散納米顆粒的作用。但在高納米顆粒含量時(shí),Ma-PE已經(jīng)不能夠作為納米顆粒分散的相容劑。由于Ma-PE與納米顆粒的相容性較好,此時(shí)納米顆粒大部分團(tuán)聚在Ma-PE含量較高的區(qū)域形成大的團(tuán)聚體,圖5,10(d)清晰的說明了這一點(diǎn),在納米顆粒的團(tuán)聚體中存在著薄層的Ma-PE的聚合物。納米顆粒的嚴(yán)重團(tuán)聚使得他們以孤島的形式存在于聚合物基體內(nèi),而無法形成導(dǎo)電通路,因此電導(dǎo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于復(fù)合材料Ns以及Ss,并且電導(dǎo)隨著時(shí)間的延長逐漸衰減,如圖4(b)所示。

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4

 

結(jié)晶度與結(jié)晶形態(tài)也是影響結(jié)晶性聚合物介電強(qiáng)度的因素[10-13,15],根據(jù)前面的結(jié)果,納米顆粒的引入并不影響聚乙烯的結(jié)晶度,但改變了聚合物的結(jié)晶形態(tài)。因此,納米復(fù)合材料的介電強(qiáng)度降低可能與納米顆粒改變了聚乙烯的結(jié)晶形態(tài)有一定的關(guān)系。根據(jù)圖5,6的結(jié)果,聚乙烯在復(fù)合材料Ns以及Ss中的結(jié)晶形態(tài)并沒有大的差別,因此,納米顆粒表面處理后,復(fù)合材料的介電強(qiáng)度的提高與聚乙烯的形態(tài)改變沒有關(guān)系。

綜合分析以上結(jié)果,可以得出以下結(jié)論,聚乙烯納米鋁復(fù)合材料(相同納米顆粒含量)的介電強(qiáng)度主要取決于納米顆粒的分散狀態(tài),主要包括顆粒團(tuán)簇的尺寸以及形狀,除此之外,還可能與納米顆粒與聚合物基體的粘結(jié)以及復(fù)合材料的電導(dǎo)有一定的關(guān)系,與聚合物結(jié)晶形態(tài)的變化沒有明顯的關(guān)系。

 

對于復(fù)合材料Ss,納米顆粒的濃度超過10%時(shí),介電強(qiáng)度逐漸減小,但直到納米顆粒的濃度超過14%時(shí),納米復(fù)合材料仍然具有較高的介電強(qiáng)度,這說明納米顆粒簇之間可能存在一層的聚合物膜。納米顆粒經(jīng)過表面改性以后,表面吸附一層辛基基團(tuán),因此增加了納米顆粒與聚合物基體的相容性,使得納米顆粒表面可以吸附聚合物分子鏈;一方面,這些吸附的分子鏈可以限制相鄰顆粒間的隧道電流,另一方面這些分子鏈?zhǔn)沟眉{米顆粒之間無法接觸,這可能是納米復(fù)合材料在逾滲閾值以上濃度時(shí)仍具有較高介電強(qiáng)度的原因。這與Laurent的研究結(jié)果是一致的。



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