微、纳米ZnO/LDPE复合材料结构形态与介电性能研究

【摘要】：聚合物/无机纳米复合材料与传统聚合物/无机微米复合材料相比,具有介电强度高,耐电树及局部放电性能好等优点。对于微米复合材料而言,由于其热传导特性和热阻挡效应较好,因此,且耐表面电腐蚀性比较突出。如何利用二者的协同效应,开拓电介质复合材料更宽广的应用范围,近年来引起人们的广泛关注。本文以低密度聚乙烯(LDPE)为基体聚合物,以微米或纳米氧化锌(ZnO)为无机填料,通过表面修饰、工艺参数调控等技术手段,采用熔融共混法和两步法制备了纳米ZnO/LDPE、微米ZnO/LDPE和微-纳米ZnO/LDPE复合材料。利用偏光显微镜(PLM)、傅立叶红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)、差示扫描量热分析(DSC)、扫描电镜(SEM)等微观分析方法,对无机填料及其微、纳米复合材料进行结构表征和分析。结果表明:经偶联剂表面处理的纳米粒子可以在基体中分散更均匀,有效避免了团聚现象;微、纳米粒子的填充使基体材料结晶尺寸不同程度地减小,晶粒排列更加的规则而致密,结晶度有所提高;采用不同冷却方式制备的试样中,油冷却方式制备的纳米复合材料结晶度最高。根据结晶动力学理论,对所形成复合材料结构形态的物理机制进行了分析,建立了不同结晶形态聚集结构的模型。实验研究了微、纳米ZnO/LDPE复合材料的交流击穿性能以及耐电晕性能,探讨了微纳米ZnO含量、微纳米ZnO比例、偶联剂修饰、实验温度及冷却方式等对复合材料击穿性能的影响。实验结果显示:ZnO纳米颗粒的添加可有效提高复合材料的击穿场强,当纳米ZnO颗粒经硅烷偶联剂修饰,且质量分数为3%时,复合材料的击穿场强较纯LDPE提高约11%;而填充微米ZnO颗粒的复合材料击穿场强则随着微米颗粒质量分数的增加而下降。采用油冷却方式制备的纳米ZnO/LDPE复合材料比空气自然冷却试样提高9.4%;无机微米和纳米ZnO在不同程度上提高复合材料的耐电晕腐蚀性,当微、纳米ZnO含量分别为2%和3%时,微-纳米复合材料腐蚀深度和腐蚀面积最小。根据固体电介质本征电击穿的电子能量交换理论,分析了微纳米复合材料耐电晕特性优异的物理机制。探讨了电场强度、温度、频率对复合材料电导和介电性能的影响,结果表明:与纯LDPE的相比,纳米ZnO/LDPE复合材料的电导电流密度明显减小,微米ZnO/LDPE复合材料的电导电流密度则略微增大,而微、纳米ZnO含量分别为2%和3%的微纳米复合材料的电导电流密度最小。在10～105Hz的电场频率范围内,所有复合材料的介电常数均略低于纯LDPE,且含纳米ZnO的复合材料表现出极性电介质的损耗特征。基于半结晶聚合物的电子跳跃电导的模型,结合电导的实验结果,提出了微-纳米复合材料无规周期性势垒的修正模型。