聚乙烯纳米复合材料击穿场强与电树枝特性关系研究

发布时间：2020-06-05 06:12

【摘要】：击穿场强、电树枝起始电压以及生长长度是表征聚合物绝缘材料耐电行为的重要指标。聚合物材料中的电树枝化本质上是一种局部损伤,材料产生电树枝以后,可能不会立即导致击穿行为。但是电树枝长时间发展后会导致材料最终发生击穿,这是一种长时击穿行为,与短时击穿属于不同范畴。目前,对聚乙烯纳米复合材料的击穿特性和电树枝特性的研究较多,但是关于聚乙烯纳米复合材料击穿场强与电树枝特性之间的关系研究较少。因此,研究无机纳米粒子填充低密度聚乙烯(LDPE)的击穿场强与电树枝化之间的关系,对聚合物绝缘材料的耐电特性具有重要意义。本文采用针板电极系统引发电树枝,设置针板距离为2.50mm、2.50±0.01mm、2.50±0.02mm、3.00mm、3.00±0.01mm、3.00±0.02mm、4.00mm、4.00±0.01mm、4.00±0.02mm的LDPE试样进行电树引发实验,分析得出针板距离的变化以及针板之间的距离精度对电树起始电压的影响;利用扫描电镜观测结合MATLAB编程求取针尖曲率半径,分析针尖曲率半径的变化对实验结果的影响,确定电极的制备工艺和针尖曲率半径的最佳范围。制备LDPE、Si O2/LDPE和Mg O/LDPE复合材料进行电树引发与生长实验以及其击穿实验,确定材料的电树枝起始电压、生长长度及击穿场强。结果表明,材料击穿场强和电树起始电压在填充纳米后均较纯LDPE有所提高,且Si O2/LDPE提高更多,填充纳米后的复合材料对电树枝的生长均有抑制,且2%含量最为显著。对Si O2/LDPE和Mg O/LDPE复合材料的特征电树起始电压与其特征击穿场强进行皮尔逊(Pearson)相关性分析,结果得出不同纳米含量的聚乙烯纳米复合材料的电树起始电压与击穿场强呈较强正相关,但通过对比分析拉伸强度与特征击穿强度、特征电树起始电压的关系,发现聚乙烯纳米复合材料击穿场强、电树起始电压与机械强度没有相关性。并对两种聚乙烯复合材料的生长特性与其击穿场强关系进行Pearson相关性分析,发现电树生长长度与击穿场强之间并无较强相关性。
【图文】：

SEM图像,纳米SiO2,SEM图像,复合材料

e) 2%MgO/LDPE f) 3%MgO/LDPE图 2-1 纳米 SiO2/LDPE 及 MgO/LDPE 复合材料 SEM 图像Fig. 2-1 SEM image of nano-SiO2/LDPE and MgO/LDPE composites通过对比不难发现，对于进行了表面处理的纳米颗粒制备得到的SiO2/LDPE 和 MgO/LDPE 复合材料，均有随掺杂量的增加，纳米颗粒分散不均和团聚有趋于明显和严重的现象。经硅烷偶联剂处理过的质量分数为 3%纳米粒子分散程度略低于质量分数为 1%时的情况。此外从图 2-1 中还能够看出六种纳米颗粒的尺寸均在 100nm 至 200nm 之间。2.2 实验装置及测试方法2.2.1 扫描电子显微镜扫描电子显微镜主要是用来观察试样的表面形态，其原理是利用二次电子信号成像。仪器产生的高能电子束照射物质的表面时，会产生透射电子、二次电子、背散射电子、X 射线、电子-空穴对、特征 X 射线和连续谱等效应。扫

电极装置,试样

1-地电极；2-固定螺栓；3-螺丝柱；4-试样固定绝缘板；5-高压电极6-固定试样铜棒；7-试样图 2-2 多试样电极装置Fig. 2-2 Electrodes device of multiple samples频交流击穿测试方法文依据 GB/T1408.1-2006 标准电极系统进行实验，电极由两个金，边缘倒成半径为 3mm 的圆弧，上电极直径为 25mm，下电极接地的平板电极，两电极同轴放置并将整个电极系统以及试样放中。根据场强计算公式 E=U/d 计算击穿场强。实验采用的试样110μm，直径为 100mm 的圆片，试样采用平板硫化机压制好后，一步烘干 24h，设置温度为 80oC。并进行预处理，以消除材料在境条件不同带来的影响。实验中，不同质量分数的试样每组测试低实验结果的分散性。实验时调压器以 1kV/s 的速度匀速升压，，装置发出报警即材料发生击穿时，记录此时的击穿电压 U，取出仪测出击穿点的试样厚度，得到击穿场强。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM21;TB33

【参考文献】