微米和纳米科技材料

聚合物纳米复合电介质的击穿性能

电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)的研究人员王威望、李盛涛、刘文凤,在2017年第16期《电工技术学报》上撰文指出,聚合物纳米复合电介质作为第三代绝缘材料表现出优异的电气特性,其中击穿是纳米复合电介质的关键性能之一。

很多研究表明纳米复合电介质的击穿性能明显优于纯聚合物和微米复合电介质材料。针对第一代纳米复合电介质的国内外研究现状,综述了其击穿性能(包括体击穿和沿面闪络特性),讨论了纳米复合电介质击穿特性改善的机理。

基于国内外研究现状和本课题组的研究积累,提出了自由体积对聚合物纳米复合电介质击穿的重要影响,指出了纳米粒子对聚合物基体自由体积参数的影响规律;研究了电荷输运微观过程对纳米复合电介质击穿的影响机制,阐述了陷阱参数与体击穿和沿面闪络性能的关系;总结了纳米改性与复合材料体和表面电荷输运参数调控的关联,指出了纳米掺杂同时改善聚合物介质体击穿和沿面闪络特性的机理。

体击穿是绝缘介质材料在电场下发生内部破坏的短时现象。一般体击穿发生的时长小于1ms,这种短时破坏可直接导致绝缘失效,造成电力设备瘫痪。另外,绝缘介质材料的沿面闪络,是发生在介质材料表面的击穿现象(一种表面放电)。沿面闪络可发生在ns~s之间较宽的时长尺度;可造成绝缘介质表面劣化甚至破坏、信号干扰和设备短路,威胁电力设备的运行可靠性。

一般电力设备中固体绝缘材料与气体或真空间的界面是绝缘的薄弱点,这些地方容易发生沿面闪络。体击穿和沿面闪络都属于绝缘介质的短时击穿性能,在绝缘介质性能研究、尤其是新材料设计和开发中是必须考虑的关键问题。

一般情况下,聚合物介质的击穿场强受很多因素的影响,是一个复杂难懂的物理现象,如介质厚度、温度和压力等。这些影响因素会改变聚合物复杂的结构和形态,从而影响材料的击穿过程。在工程应用方面,通常采用在聚合物中添加无机微米颗粒来制备复合材料,以提高纯聚合物的机械、热和某些电特性。但对击穿性能而言,无机微米颗粒一般会引入杂质或缺陷;电场作用下,复合材料内部电场发生畸变,从而导致其击穿场强下降。

通过在聚合物材料中添加无机纳米粒子,并进行界面微观结构设计和调控,可制备出聚合物纳米复合电介质材料。由于受纳米粒子特性,如小尺寸、比表面积大、量子隧道效应等的影响,聚合物纳米复合电介质表现出优异的击穿特性[1-4];其击穿性能受纳米粒子表面处理[5,6]、纳米粒子类型和含量[1,7]、内聚能密度(Cohesive Energy Density,CED)和玻璃化转变温度等[8,9]多个因素的影响。

纳米粒子的物理化学性质对复合电介质的击穿至关重要。粒子表面极性和非极性的官能团与聚合物分子链相互作用将影响其击穿过程。另外,纳米粒子的引入改变了聚合物的形态结构,特别是结晶行为,进而影响击穿。

研究指出纳米复合电介质优异的击穿性能来源于纳米粒子和聚合物基体间的界面区[10-12]。因此,很多研究者关注界面区的物理化学特性,试图通过物理化学方法来修饰纳米粒子表面,从而调控界面区特性,提高复合介质的击穿场强。

纳米粒子通常位于聚合物的无定形区或无定形与结晶区的界面,改变聚合物的形态和结构。由于电荷输运特性与聚合物的形态和结构密切相关,因此,纳米复合电介质的击穿取决于微观界面区的形态和结构对其电荷输运特性的影响。根据已有的击穿理论[13],研究者讨论了界面区特性,如陷阱和自由体积等对电荷输运的影响,阐述了纳米复合电介质的击穿机理[8,14,15]。

图1 原位和非原位方法制备的EP/TiO2纳米复合电介质的击穿特性

聚合物纳米复合电介质的击穿性能

结论和展望

由以上研究可知,少量纳米粒子可提高聚合物的击穿特性。这种改善归因于界面区效应对电荷输运微观参数的影响,如自由体积、陷阱和介电常数等。其中陷阱参数是载流子电荷输运的关键因素。纳米粒子可以改变陷阱的深度和密度,从而改善击穿性能。一般情况下,适量的增加深陷阱可以提高复合材料的击穿场强。

以上的研究针对第一代纳米复合电介质材料。正如Tanaka T.所言,第一代纳米复合电介质稳定性和可靠性不高,这使得很多特性无法很好地从物理和化学角度去理解,从而限制了纳米复合电介质性能的提升和应用。为了更好地研究和发展新型纳米复合电介质材料,需要从以下几点入手。

首先,开展第二代纳米复合电介质的合成和制备研究。第二代纳米复合电介质突出界面区的修饰和调控,通过这种技术可以获得电气性能的综合提升。其中界面修饰是其关键点。可通过两种方法来实现;一种是采用先进的化学制备技术,如原位自由基聚合、可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合等。二是采用先进的表征技术表征界面区,如原子力显微镜、光致发光、正电子湮灭等。这些技术可以很好地探测聚合物微观结构的信息,从而有助于分析和研究其性能改善机理。

其次,需要研究纳米复合电介质微观-介观-宏观(3M)的时空层次关系,获得纳米复合电介质的时空物理特性和机理。这也是雷清泉院士在第354次香山会议上提出的关键科学问题[46]。当聚合物中引入纳米粒子后,聚合物的时空层次结构和形态变得更加复杂。如何考虑这种复杂的结构对性能的影响是未来研究面临的挑战。

界面区处于介观尺度(约10nm),理解介观尺度的介电理论并与上述的3M进行关联是发展纳米复合电介质的重要课题。例如需要重新考虑介观尺度的FowlerNordheim和隧道效应,分析陷阱在介观尺度的效应等。另外,需要考虑击穿的时空层次关系,击穿场强与厚度、时长的关系,以及纳米粒子如何影响绝缘介质的短时击穿和长时老化等。

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