基于正弦宽频扫描电场下空间电荷测量的电介质陷阱检测理论与技术研究

In this project, new detection theory and technology associated with the trap distribution in dielectric material is studied, according to the measurement of space charge distribution in the dielectric under sinusoidal broadband scan field with different frequency, amplitudes and offsets. Based on the automatic equal phase shift (AEPS) principle and the pulsed electroacoustic (PEA) method, the theory and technology of space charge measurement under sinusoidal broadband electric field is studied, which is qualified with broadband of 100μH-1MHz, high resolution, and quick scan feature. On this basis, the space charge measurement and analysis is studied for Polymethylmethacrylate (PMMA) under sinusoidal broadband electric field with different amplitudes and offsets. A charge transport model under sinusoidal broadband electric field is constructed, combined with the trap distribution parameters obtained from broadband dielectric spectrum and relaxation current detection. According to the theory research on the trap distribution under sinusoidal broadband electric field, a new method is proposed to characterize the trap distribution in dielectric material. Finally, the polymer nanocomposite is taken as a research object to verify the accuracy and feasibility of the new detection method for trap analysis.

本项目通过宽频带正弦波电场扫描（不同频率、幅值、偏置）过程中电介质内空间电荷响应的测量分析，开展电介质陷阱分布的新检测理论和技术研究：基于自动均匀移相AEPS原理和电声脉冲PEA法，研究具备100μH-1MHz宽频带、高分辨率、快速扫描功能的正弦波宽频电场空间电荷测量理论和技术；在此基础上通过对机玻璃PMMA试样在宽频带内不同幅值、偏置正弦波下的空间电荷动态测量和分析，结合宽频介电谱和松弛电流检测获得的介电、陷阱分布参数比对，构建宽频正弦波电场下的电荷输运模型，并研究基于正弦波宽频空间电荷扫描的陷阱分布检测理论，提出表征介质陷阱分布的新方法；最后以聚合物纳米复合介质为研究对象，从实验与数值模拟两方面验证新检测方法在陷阱分析中应用准确性和可行性。

本项目针对正弦波电场下电介质空间电荷响应进行了宽频带扫频测量分析，并基于此开展电介质陷阱分布的新检测理论和技术研究：通过不同频率下AEPS原理和PEA法检测中的相位系统误差分析，发现100uHz-1MHz内系统相位误差随频率升高而增大，采用相位误差修正和扫频点优化，提出了正弦波宽频扫描电场空间电荷检测的理论，并构建了适用于宽频电场扫描的检测平台和数据分析优化算法；通过不同状态PMMA样在正弦波扫描场下的空间电荷动态响应，并结合理化和介电性能分析，发现平均相位电荷密度mean频率谱在10Hz-10kHz频带范围内，与复介电常数实部ε′ 在趋势上均随频率下降而升高，这表明两者存在相似性，但由于极化电场的显著差距，不同状态试样的电荷量变化趋势与复介质常数实部ε′ 存在区别。基于Watson理论中电荷平均受陷时间τt和陷阱深度Ut的经验公式，结合平均相位电荷密度mean频率谱变换，可分析不同试样内部的陷阱分布，在100μHz-10kHz频率范围内，可测量陷阱深度范围在0.529-1.01eV的陷阱。通过不同幅值、频率下LDPE/SiO2纳米复合介质的宽频正弦极化场空间电荷检测，发现LDPE在100μHz-10kHz范围时，LDPE内部ρθ频谱图整体呈“Z”字曲线，即高频段范围内LDPE内部电荷密度积累量较小，在频率低至5mHz时电荷量迅速增加，随着频率的进一步下降电荷量趋于饱和；填充纳米SiO2后，电荷频谱图曲线形式保持不变，但高频段的电荷量比纯LDPE试样多，而低频段电荷量较少。