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《哈尔滨理工大学》 2010年
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聚乙烯/无机填料复合材料非线性电导特性及机理研究

郭文敏  
【摘要】: 由于具有优异的加工性能和电气绝缘性能,以聚烯烃为代表的聚合物在电气、电子绝缘领域得到广泛的应用;而聚合物共混改性技术又为多样化的功能性绝缘材料的开发提供了可能。以聚合物为基体通过共混技术填加具有非线性电导和(或)非线性介电常数的无机半导体和铁电体,可制备电导率和(或)介电常数随电场强度变化而变化的非线性复合绝缘材料。由于在复杂绝缘结构中可自行均化电场分布从而提高绝缘结构的介电强度,这类材料又被称为“智能绝缘材料”,目前,已在大电机线棒端部防电晕结构中和配电电缆绕包型终端中得到广泛的应用。未来更坚强的、智能化的电网建设对电力设备的绝缘性能提出越来越高的要求,为此这类非线性绝缘材料将具有更为广阔的应用空间,例如可在特高压直流套管和超高压直流电缆等绝缘结构中得到应用。所以,实验研究聚合物/非线性无机填料复合材料的电导特性及其影响因素对指导非线性复合材料的开发和应用具有重要的工程意义;同时,非线性复合材料导电机理的研究对完善和丰富电介质理论具有重要的理论意义。 以低密度聚乙烯(LDPE)为基料、不同属性碳化硅(SiC)和氧化锌(ZnO)为填料制备了具有非线性电导特性的复合材料。通过直流电导特性的测试发现:无机填料填充浓度表现出一定的渗流特征,即填料浓度较低时,填料浓度对复合材料的电导特性影响不显著,而当填料浓度达到或超过某临界浓度时,填料浓度对复合材料的电导特性影响变得十分显著;且无机填料自身非线性程度越高复合材料电导的渗流特征越明显。同时发现:在双对数坐标下,在一定的填料浓度范围内,复合材料的电导率与宏观平均电场强度的关系呈现直线或折线形式,呈现折线形式说明在不同电场强度下,复合材料的电导非线性系数发生了变化;而电导非线性系数发生变化的临界宏观平均电场强度值随无机填料浓度的增加向低场强方向移动。分析这一现象的原因是:在相同的宏观平均电场强度下,复合材料的内电场随填料浓度增加而增强,而内电场是决定电导非线性系数变化的直接原因。实验中同时发现:在相同的填充浓度下,以纳米SiC为填料的复合材料的电导率比微米SiC复合材料的电导率大,且非线性程度高。 为了进一步研究复合材料的电导特性,同时也为复合材料导电机理研究奠定实验基础,实验研究了温度对复合材料非线性电导的影响。实验结果表明:复合材料的电导率随温度增加而增大,并且在双对数坐标下,无论低场区还是高场区高温时的电导率均高于低温时的电导率,这说明复合材料的电导始终存在热激过程。 在上述实验研究的基础上,结合非线性复合材料的微观结构和经典电介质理论,提出了复合材料的三步输运电导物理模型,即载流子经填料跃过界面,而后通过聚合物基体再跃过界面进入填料,重复上述过程则完成复合材料的导电历程。由于填料自身电导率远大于聚合物基体电导率,所以聚合物基体的内电场和填料表面电场是决定复合材料导电机制的直接因素。根据所建立的三步输运电导物理模型,并结合聚合物基体内电场、界面电场与填料浓度、外加电场的相互关系,推导了复合材料电导特性和电导率与表观平均电场强度关系的近似理论公式。该近似理论公式定性地解释了复合材料非线性电导与电场强度、温度、填料粒径和填加浓度的关系。理论预测的复合材料非线性电导特性变化趋势与实验研究结果相吻合。 为了探索在材料热成型加工过程中调控复合材料的微观结构,从而改变复合材料宏观介电性能的可行性,实验研究了非线性复合材料的预电应力效应。实验证实了复合材料预电应力效应的存在,即通过在材料热成型加工过程中施加电场,可以改变其宏观电导特性,预电应力的作用等同于增加填料的填充浓度。 最后,实验研究了采用非线性复合材料制备的非线性屏障对绝缘中电树枝生长及击穿时间的影响,实验结果表明:非线性屏障可以有效抑制电树枝的生长,大大延长交联聚乙烯绝缘电树枝击穿寿命。应用电磁场分析软件,仿真分析了采用非线性外绝缘的电缆终端处的电场分布,由仿真分析结果发现:在传统电缆终端结构中改用非线性绝缘材料作为外绝缘后,电缆终端应力锥处场强明显得到降低。非线性屏障层的实验研究结果和非线性外绝缘电缆终端电场仿真分析结果为非线性绝缘材料在更多绝缘结构中的应用奠定了基础。
【学位授予单位】:哈尔滨理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM215.92

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【引证文献】
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