高性能聚乙烯绝缘材料与半导电屏蔽材料制备及其性能研究
高压直流电缆线路因其输送容量大、造价低、损耗小、可靠性高、寿命长等特点而应用越来越广泛。随着电气工程和电子技术的快速发展，柔性导电聚合物具有广阔的应用前景。在一定的应用方面，高介电常数和高电导率的多功能聚合物基复合材料在越来越受到广泛的关注。其中，聚乙烯(PE)是高压直流输配电领域最好的绝缘材料之一。作为高压直流电缆的屏蔽层，往往使用高介电常数和高电导率的聚乙烯基复合材料来抑制空间电荷的形成。在会形成大量空间电荷的绝缘层，高电导率可以消散电缆屏蔽层积聚的空间电荷。另外，诱发的反电场能够使得电缆内导体表面的电场降低。因此，高介电常数和高电导率的内屏蔽层是保证高压直流电缆安全运行的关键因素之一。
本论文基于电缆用聚乙烯材料的绝缘特性，提出利用纳米技术及合适的工艺制备LDPE/Al2O3、LDPE/AlN及LDPE/MWCNT复合材料，就其综合介电性能开展研究。通过对不同电场下材料中空间电荷及其对电介质材料中电场分布影响规律的研究，掌握影响复合材料的空间电荷产生和分布的主要因素，通过对纳米复合材料的介电性能和微观结构综合分析，研究复合材料绝缘结构和半导体屏蔽层结构，主要工作如下：
通过熔融共混法制备不同填料含量LDPE/Nano—Al2O3、LDPE/Nano—AlN复合材料，然后采用不同冷却工艺将其热压成型。分别研究了不同纳米Al2O3和纳米AlN含量对复合材料结晶、介电性能、击穿场强和空间电荷特性的影响，同时通过扫描电镜(SEM)分析Al2O3和AlN在LDPE基体中的分散状态以及用差示扫描量热法(DSC)，X射线衍射(XRD)研究复合材料的热稳定性和结晶性能。结果表明，冷却工艺影响复合材料的热稳定性，同时基体中均匀分布的纳米Al2O3和AlN的引入对复合材料的结晶性和电性能产生了较大的影响。随着Al2O3和AlN含量的增加，复合材料的介电性能提高，击穿场强有所下降，空间电荷的集聚变化明显。
利用电声脉冲法(Pulsed Electroacoustic Method，PEA)测量技术对不同填料含量的LDPE/Nano—Al2O3、LDPE/Nano—AlN复合材料空间电荷特性进行对比分析，主要结论如下：纯LDPE薄膜中出现了双偶极注入现象，注入电荷量随着外加电压的升高而增加，纳米Al2O3、AlN掺杂的LDPE/Al2O3、LDPE/AlN复合材料的空间电荷特性与纯LDPE薄膜明显不同。异号电荷的出现表明离子化的产生；纳米粒子的引入可能阻碍了电荷的注入，注入电荷的相互作用、离子化和纳米对电荷注入的影响在形成电荷包的时候，这三者之间存在一个相互竞争的过程。含有0．5％Al2O3共混物抑制空间电荷效果最好，电荷的迁移率最高。纳米AlN粒子的加入对聚乙烯材料的空间电荷没有抑制作用。
通过熔融共混法制备不同填料含量LDPE/WMCNT复合材料，分别研究了在不同温度、频率下多壁碳纳米管WMCNT含量对复合材料介电性能、电导率和的影响，同时通过扫描电镜(SEM)分析WMCNT在LDPE基体中的分散状态以及用差示扫描量热法(DSC)研究WMCNT含量对复合材料的结晶性能的影响。结果表明，LDPE/MWCNT复合材料的介电常数与电导率随着碳纳米管含量的增加而增大，在碳纳米管体积分数接近0．081时，复合材料的介电常数与电导率得到大幅度提高。这些结果可以很好的通过渗阈理论进行解释。渗流阈值相对较高是可能是因为碳纳米管在熔融共混的过程中由于很强的机械剪切力很容易被破坏。碳纳米管体积分数为0．08的LDPE/MWCNT复合材料具有高的介电常数和电导率，可以满足于高压直流电缆屏蔽层的应用需要。
聚乙烯绝缘材料;氧化铝;氮化铝;碳纳米管;介电性能;空间电荷;屏蔽材料
北京化工大学
博士
材料科学与工程
党智敏
2011
中文
TM215.1;TQ325.12
128
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）