高压力下聚合物电介质的介电测量与行为研究

In the project, it is proposed to measure and to research the characters of polymer dielectrics under high pressure in room temperature by quasi-hydrostatic pressure. The max pressure should be up to 500 MPa. The dielectric spectrum in large frequency range under variable high pressure will be measured and researched for several kinds of polymer dielectrics. The space charge behavior of polyethelene under high pressure will be measured and researched under high pressure. Piezo-Stimulated Current method will be used to research the trap of space charge and the characters of carriers in polymer. The high pressure system for the project have been designed and prepared. In this project, chambers for dielectric spectrum measurement, space charge measurement, Piezo-Stimulated Current measurements under high pressure will be researched and prepared. The dielectric spectrum of several kinds of polymer dielectrics under varying high pressure will be obtained in this project. The space charge behavior of polyethene under high pressure (up to 500 MPa) and high field (up to 40kV/mm) will be researched. For the PieSC measurement, it should be increased and decreased the hydrostatic pressure in the polymer dielectrics sample lineally, accurately and slowly, until 500MPa. The speed of increasing or decreasing hydrostatic pressure should be controlled accurately. At the same time, it needs to applied high voltage on the sample and to measure the very weak current from the sample that is stimulated by the external pressure. Then, it should be to present the theory of Piezo Stimulated Current to analysis the carrier and space charge in the polymer dielectrics, for example, to distinguish the electron carrier and the ion carrier. To get the trap level of space charge in polymer sample. On above research, the dielectric properties of polymer dielectrics under high pressure will be studied synthetically.

本项目建议采用准静水压的方式，对于室温高压力状况下的聚合固体电介质的介电特性、空间电荷行为特性进行综合测量研究，最高压力为500 MPa，并将采用压激电流（Piezo-Stimulated Current, PieSC）法测量与研究聚合物电介质中的空间电荷陷阱与相应的载流子特性。本项研究所需要高压力主机系统已经基本设计加工完成，本项目需设计研制适用于在高压力下进行聚合物固体介质介电特性、空间电荷特性、以及压激电流谱测量研究的几种试样腔。在测量几种主要聚合物绝缘电介质随高压力变化时的介电频谱；在不同的高压力情况特性下测量聚乙烯的空间行为；在改变所线性升高或者降低静水压同时外加直流高压的情况下测量由压力诱发的微弱压激电流。因此可以提出压激电流理论模型，分析得出介质内部的载流子特性，并得知聚合物电介质中的空间电荷陷阱特性。在以上研究的基础上，对于高压力下的聚合物介电特性进行综合研究。

本项目完成了在高压力条件下测量聚合物电介质的综合介电性能的系统，主要包括最高压力可以达到310T（~3MN）并且压力程序可以精密预设控制的压力主机，和相应的高压力介质测量试样腔。试样腔的最高压强可达1.5GPa，最高外加电压为20kV，最大温度范围为室温至80°C。可进行的综合介电参数测量包括以下主要参数：在高压力条件下的聚合物电介质的绝缘电阻，在同时施加高电压与高外加压力的条件下的空间电荷分布与演变过程，在高压力下的聚合物电介质的介电频谱，聚合物材料在高压力与不同温度条件下的准静压形变-应力曲线，并从中可以得到室温下的聚合物相变曲线以及自由体积分数的实验测量值。所研制成功的分体式高压力介质测量腔操作简便容易，可多次重复使用，基本上能够满足在500MPa与室温条件下的绝缘电介质参数测量的要求。.在此压力主机与高压力测量试样腔的基础上，完成了对于PE，PP，尼龙-6等聚合物电介质材料的应力-应变关系的研究，得到了这些材料在室温条件下的玻璃化转变压力点Pg，完成了LDPE在高压力下的空间电荷变化规律的实际测量研究，得到了在高压力条件下PE的空间电荷形成规律。完成了对于PE，PI绝缘薄膜在高压力条件下的绝缘泄漏电流的规律测量，这部分的研究表明这些绝缘介质的泄漏电流主要是由离子电导引起的。进行了对于尼龙-6的压激电流谱（Pie-SC）的测量研究，得到了这种绝缘电介质的偶极松弛时间参量与偶极极化活化能。这项研究表明目前的压激电流谱（Pie-SC）对于极性电介质的测量从物理模型、实验设备到测量技术均是有效可行的。对于PP的压激电流谱（Pie-SC）的初步测量表明，用类似的方法能够得到压激电流，但是相应的对于非极性介质的陷阱电荷的压激电流物理模型还需要进一步研究完善。目前，如果直接套用极性介质的偶极子模型，无法得到陷阱电荷的陷阱深度，只能得到相应的活化焓。