界面区分子链运动特性对聚乙烯纳米复合电介质直流击穿的影响

Polymer nanocomposites have excellent dielectric properties, showing promising application in high voltage power equipment and device. The excellent dielectric properties originate from interfacial regions between nanoparticles and polymer. However, because of the complexity of interfacial region structures, the relationship between the interfacial region properties and the dielectric properties of nanocomposites is not very clear, limiting the development and application of nanocomposites tremendously. In the present project, special attentions are given to the molecular chain motion properties in interfacial regions to investigate the dc breakdown of polyethylene nanocomposites. Distributions of elastic modulus in interfacial regions will be measured by atomic force microscopy. Then, molecular chain motion properties in interfacial regions will be characterized by terahertz time domain spectroscopy, dielectric spectroscopy, thermal transition, and dynamical mechanical spectroscopy. In addition, charge transport properties of nanocomposites will be characterized by thermally stimulated current, surface potential decay, and space charge measurement methods. The influence of molecular chain motion properties in interfacial regions on charge transport behavior and the effect of charge transport on molecular chain motion will be analyzed. Subsequently, mechanism of dc breakdown strength of nanocomposites influenced by the change of charge transport properties will be analyzed. Finally, the effect mechanism of interfacial region properties on dc breakdown strength of polyethylene nanocomposites will be revealed. It can provide theoretical basis and experimental support for the development and application of high performance nanocomposites.

聚合物纳米复合介质具有优异的介电性能，在高压电力设备和器件中有广泛的应用前景。其优异介电性能主要来源于纳米粒子与基体间的界面区。然而，由于界面区结构的复杂性，界面区特性与纳米复合电介质介电特性的关联尚不清楚，极大地限制了纳米复合电介质的发展和应用。本项目围绕聚乙烯纳米复合电介质的直流击穿展开研究，以界面区分子链运动特性为突破点，采用原子力显微镜研究界面区分子链段的弹性模量分布特性，通过太赫兹光谱、介电谱、热转变和动态力学松弛等手段，表征界面区分子链运动特性；采用热刺激电流、表面电位衰减和空间电荷等测试方法表征介质的电荷输运特性。研究界面区分子链运动特性对介质电荷输运特性的影响规律及其电荷输运对分子链运动的作用机制，进而分析电荷输运特性的改变对介质直流击穿特性的影响机理。揭示界面区特性对聚乙烯纳米复合电介质直流击穿的作用机理。为高性能纳米复合电介质的发展与应用提供理论基础和实验依据。

聚合物纳米复合电介质具有抑制空间电荷积聚、高击穿场强和抗电老化等优异性能，作为第三代绝缘材料成为电气绝缘领域研究的热点。纳米复合电介质的优异性能来源于纳米粒子与聚合物基体间的界面区特性。本项目通过对纳米粒子进行表面处理增强其与低密度聚乙烯基体的相容性和键合作用，制备了不同掺杂含量的纳米复合电介质。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜等观测了纳米复合电介质的显微形貌，发现纳米粒子在低密度聚乙烯中分散均匀且界面区厚度在十几nm。红外光谱、动态热机械分析、热失重分析和X射线衍射等实验结果表明，表面处理后的纳米粒子与聚合物基体有较强的键合作用，界面区的分子链段运动受到了抑制使得适量掺杂的纳米复合电介质具有更高的玻璃化转变温度和活化能；界面区的分子链段重排和定向导致低掺杂含量试样的结晶度增大，微晶尺寸减小。宽频介电谱和太赫兹光谱的实验结果表明，在太赫兹频段偶极子极化来不及响应，使得添加越多的高介电纳米粒子纳米复合电介质的介电常数越高；在兆赫兹频率以下偶极子极化来得及响应，当掺杂含量较小时，纳米粒子与聚合物基体形成独立界面区抑制了分子链的运动，导致纳米复合电介质的介电常数下降，掺杂含量高时，纳米粒子的作用更明显，介电常数将上升。采用热刺激去极化电流提取了试样的体内陷阱参数，结果表明纳米粒子的引入及对纳米粒子表面的处理可以改变聚合物的陷阱和分子链运动特性。考虑电荷输运和分子链位移动力学过程建立了电荷输运与分子链位移调制击穿模型，计算了纳米复合电介质直流击穿场强随试样厚度、温度、压力的变化关系，仿真结果与实验结果一致。对比仿真与实验结果，研究了聚合物电介质的直流击穿强度、电荷输运、及分子链位移之间的关系。发现适量纳米掺杂可调控界面区陷阱和分子链运动特性，提高纳米复合电介质的击穿场强。对高性能纳米复合电介质的发展及其在高压直流绝缘系统中的应用具有重要的科学和工程意义。