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《重庆大学》 2018年
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热老化下低密度聚乙烯纳米复合材料的介电和空间电荷特性研究

王灿  
【摘要】:与纯聚乙烯绝缘材料相比,聚乙烯/氧化镁纳米复合材料由于具有更高的绝缘强度和机械性能,并且能够抑制材料在高压直流电场作用下的空间电荷累积,有望成为下一代高压电力设备的绝缘材料。然而,在高压电力设备的长期运行过程中,聚乙烯绝缘材料不仅会承受高电压的作用还会受到高温环境的影响而逐渐出现热氧老化的现象,在热氧老化的过程中聚乙烯材料分子链的三级碳原子会与氧气发生反应,导致分子链断裂并且生成大量的自由基,该过程的进行会引起材料绝缘性能的下降,最终造成聚乙烯材料的绝缘失效,因此有必要研究具有抗热老化能力的聚乙烯纳米复合材料。本文选用LDPE/MgO纳米复合材料为研究对象,以LDPE/SiO_2和LDPE/ZnO纳米复合材料为对照组,对热老化后聚乙烯纳米复合材料的形貌特性、分子结构、击穿场强、介电特性以及空间电荷行为特性等多个性能进行了测试分析,揭示了聚乙烯纳米复合材料的抗热老化机理,为制备具有抗热老化能力的聚乙烯纳米复合材料的纳米粒子种类的选择和浓度的控制提供了指导。本文完成的主要的工作如下:(1)研究了LDPE/MgO、LDPE/ZnO和LDPE\SiO_2这三种聚乙烯纳米复合材料的形貌特性、理化特性、介电特性以及空间电荷分布等绝缘特性,研究得到了具有最优绝缘性能的纳米粒子配比浓度,分析得到了影响聚乙烯纳米复合材料绝缘性能的主要因素。(2)研究了热老化过程中纳米粒子对聚乙烯基体的作用效果,分析了热老化前后聚乙烯纳米复合材料的形貌特性和理化特性,研究得到了能够提高聚乙烯基体抗热老化能力的纳米粒子种类和浓度配比,为制备具有抗热老化能力的聚乙烯纳米复合材料的浓度配比提供了指导。(3)对热老化前后聚乙烯纳米复合材料的介电特性进行了研究,分析了纳米粒子是否能够降低热老化后聚乙烯绝缘材料的介电损耗,利用Debye模型拟合计算得到了热老化前后材料的直流电导率,研究了纳米粒子对热老化过程中聚乙烯材料中直流电导率的作用机理,揭示了纳米粒子能够使聚乙烯基体的介电损耗在热老化后仍然维持较低水平的原理。(4)对热老化前后聚乙烯复合材料的空间电荷行为特性进行了研究,通过分析热老化过程中材料内的电荷累积量和载流子迁移率的变化,研究了聚乙烯纳米复合材料在热老化后是否仍然具有抑制空间电荷累积的能力,利用去极化特性计算得到了热老化前后聚乙烯纳米复合材料的电荷陷阱分布,揭示了纳米粒子能够在热老化后仍然具有抑制材料内空间电荷累积能力的作用机理。(5)通过计算分析纳米粒子与聚乙烯基体之间的氢键强弱、聚乙烯纳米复合材料的活化能、氧气在聚乙烯纳米复合材料中的扩散程度以及氧化物纳米粒子与聚乙烯分子链之间的相互作用能,揭示了纳米粒子能够提高聚乙烯基体材料抗热老化能力的机理,为制备具有抗热老化能力的聚乙烯纳米复合材料的纳米粒子种类的选择提供了指导。此外,本文还通过计算含有C=O双键的聚乙烯材料的态密度的变化情况,解释了热老化对材料的电荷陷阱深度以及空间电荷分布的影响机理。本文的研究工作表明了MgO和ZnO纳米粒子能够有效的提高聚乙烯基体材料的抗热老化能力,同时也能够保护材料在热老化过程中的绝缘性能。此外,以试验和仿真模拟的结果为基础,本文从氢键作用、活化能、氧气扩散程度和相互作用能等方面揭示了纳米粒子提高聚乙烯基体抗热老化能力的作用机理,为制备具有抗热老化能力的聚乙烯纳米复合材料的纳米粒子的种类的选择和浓度的控制提供了指导。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM21;TQ325.12;TB33

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【参考文献】
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