论文摘要
目前,我国以及全球电力的输送正朝高压、超高压方向发展。经济以及城市化的发展对电缆的需求量逐年增加。作为电力输送系统的一部分,电缆终端处的电场非常集中,击穿容易发生。电缆终端击穿失效是导致供电事故的主要因素之一。除了电缆终端以外,大功率发电机线棒、户外绝缘套管等的应力控制也是电力设备中非常值得关注的关键问题。具有高介电常数的材料可将电缆终端半导电屏蔽剥离处的高电场强度降至安全范围内,将高电位移向电缆末端,而不是集中在电缆屏蔽切断处附近,从而使电缆终端外绝缘电场分布趋于发散、均匀,确保电路输送安全。聚乙烯具有高的介电强度,非常低的电导,是用于生产电线电缆的优质绝缘材料。因聚乙烯在高频下具有非常低的介电损耗并具有优异的力学性能,更是最合适的高频电缆用绝缘材料。然而,聚乙烯的介电常数很低,在电缆终端处的应用受到了限制。为了拓展聚乙烯在电缆终端处的应用,必须增加它的介电常数。添加金属颗粒、导电纤维以及碳纳米管等是增加聚合物介电常数的重要手段。聚合物/导体复合材料是典型的逾渗体系,复合材料的介电常数反比于填充物的实际填充分数与临界填充分数(逾渗阈值)之差。因此,要得到高的介电常数就必须使得填充物的分数接近临界值而又不能高于临界值。如果填充分数合适,可以得到非常高的介电常数。然而,具有逾渗行为的复合材料的介电性能对材料的组成非常敏感,组成的轻微变化就会引起材料性能的很大变化,比如复合材料会在很小的浓度范围内发生由绝缘体到导体的转变,使材料失去作为电介质的价值,这给材料的生产以及材料性能指标的重现性带来了很大的挑战。在本文中,选择了一种自钝化的纳米铝为原材料,制备了具有较高介电常数的聚乙烯纳米铝复合材料。铝是一种自钝化金属,纳米颗粒经钝化后表面形成一层几纳米厚的氧化膜,这层氧化膜一方面可以阻止金属核的进一步氧化,还可以阻止颗粒之间形成类似金属的导电通路,保证材料在较高的填充体积下保持绝缘性能;纳米铝的其它优点是具有较低的密度,利于复合材料的加工,并且铝对于聚乙烯没有降解作用。本工作主要研究了以下几个基本问题:(1)聚乙烯纳米铝复合材料的介电性能与纳米铝含量以及施加交流电场频率的关系;(2)聚乙烯纳米铝复合材料的介电增强机理;(3)纳米铝的表面化学特征对复合材料微结构以及电学性质的影响;(4)聚乙烯纳米铝复合材料的微结构、电学性质以及流变性质之间的关联;(5)影响聚乙烯纳米铝复合材料的介电强度的因素以及提高介电强度的方法。(1)聚乙烯纳米铝复合材料的介电性能与纳米铝含量以及施加交流电场频率的关系。聚乙烯纳米铝复合材料的介电性能(介电常数与介电损耗)不仅与纳米颗粒的含量有关,还与测试的频率有关。大的介电行为的差别主要出现在低频区。在纳米颗粒含量较低的情况下,复合材料基本上没有表现出介电弥散现象,这是因为纳米颗粒的尺寸很小,少量纳米颗粒与聚合物基体间形成的界面可以被忽略。随着纳米颗粒含量增加,纳米颗粒与聚合物基体之间的有效界面面积增加,纳米颗粒之间的介质厚度变薄,造成了明显的界面空间电荷极化。当纳米颗粒的浓度超过24wt%时,低频区的介电参数(介电常数与介电损耗)随着纳米颗粒的增加而减少,这个现象可能是由三方面的原因造成的。一是溶剂残留或纳米颗粒的不完善堆积造成了微孔洞的存在;二是纳米颗粒在高浓度时出现了严重的团聚造成纳米颗粒与聚合物之间有效界面面积的减小;三是纳米颗粒的团聚造成等效氧化壳层厚度的增加。根据对复合材料介电参数的研究,发现聚乙烯纳米铝复合材料并没有表现出常规的聚合物金属复合材料所普遍拥有的介电逾渗现象。(2)聚乙烯纳米铝复合材料的介电增强机理、模型。将复合材料看作是由聚乙烯基体、大量金属核以及自钝化氧化层组成的等效电路,解释了聚乙烯纳米铝复合材料的介电常数与频率以及颗粒含量的关系。(3)纳米铝的表面化学对复合材料微结构以及电学性质的影响。纳米铝颗粒经过辛基硅烷表面处理以后,纳米颗粒在聚乙烯基体中的分散的到了显著改善,复合材料的介电性能得到了提高。根据逾渗理论,表面改性的和未改性的纳米颗粒复合材料的逾渗阈值均低于理论值,临界指数均高于根据理论计算的普适值。但纳米颗粒经过表面处理以后,复合材料具有较高的逾渗阈值与临界指数。聚乙烯纳米铝复合材料具有低于理论值的逾渗阈值是由于纳米颗粒的小尺寸以及彼此容易团聚的特性造成的。复合材料具有高与普适值的临界指数是因为纳米颗粒之间的接触电阻存在一定的分布造成的。逾渗阈值以及临界指数的差别均与纳米颗粒的表面处理以及表面处理引起的颗粒在聚合物基体中的分散改善有关。研究结果说明,纳米颗粒的表面处理使人为的控制纳米复合材料的介电性能变为可能。(4)聚乙烯纳米铝复合材料的微结构、电学性质以及流变性质之间的关联。研究显示,纳米复合材料的微结构、导电以及流变性质之间存在着很强的关联。纳米铝颗粒表面处理改性以后,复合材料具有高的流变逾渗阈值。纳米复合材料的电逾渗阈值要低于形成导电通路所需要的纳米颗粒的浓度,这是因为形成流变逾渗所要求的纳米颗粒团簇之间的距离要大于形成导电通路所要求的纳米颗粒之间的距离。(5)影响聚乙烯纳米铝复合材料的介电强度的因素及提高介电强度的方法。聚合物金属复合材料的介电强度是由金属颗粒的分布及分散情况决定的,与颗粒本身的尺寸没有必然的关系。颗粒的浓度超过14vol%,只有表面处理的纳米颗粒聚乙烯复合材料还保持一定的介电强度,微米复合材料、采用相容剂的纳米复合材料以及表面未处理的纳米颗粒复合材料都失去了介电强度。这一结果说明,通过表面化学处理,改善金属颗粒的分散以及提高颗粒与聚合物基体的相容性是提高聚合物金属复合材料的介电强度的有效手段。本论文的主要创新之处:1.通常的聚合物金属复合材料在高金属含量的情况下是导电材料。本文选择了一种自钝化的纳米金属铝颗粒作为填充剂,制备了具有较高介电常数的聚合物纳米复合材料,这种填充剂使得复合材料在高填充的情况下仍保持电介质材料的特性,拓展了聚合物金属复合材料的应用。2.在较高纳米铝含量的情况下,制备的聚乙烯复合材料仍保持较好的力学性能和介电强度。