纳米粒子在复合物中分散性定量表征及与介电性关系

The research on nanodielectris has been carried for more than a decade. Yet problems remain on the research results, such as the difference between researchers on the characteristics of permittivity, the diverging opinions on whether deep trap or shallow trap is introduced by nanostructure and whether the nanopaticles suppresses the formation of space charge or accelerates the accumulation of charge, and the effect of the content of inorganic fillers on breakdown strength. The applicants observe the problems mentioned above mainly result from the dispersion of nanopaticles and the percolation phenomenon. This project will quantify the dispersion of nanopaticles in nanocomposites by applying SEM and TEM technology and Image method, and by means of quadrat based method and nearest neighnorhood distance method, calculating the skewness which can characterize the diapersion of nanopaticles and the ratios Rk which can characterize the uniformity of distribution of nanopaticles in nanocomposites. The effect of dispersion on space charge behavior, dielectric spectrum characteristics, corona-resistance and breakdown strength will be investigated. The relations between the percolation threshold and dieletric behaviors of nanocomposites will be examined.

纳米电介质的研究已经走过了十几年的历程，但不同研究者的研究结果还存在分歧，如纳米复合物的介电常数是增加还是减小；纳米复合结构引入的是深陷阱还是浅陷阱；纳米粒子的引入是可以抑制空间电荷的形成还是促进空间电荷积累以及无机物含量对击穿强度的影响等。申请人认为导致上述现象出现的主要原因是纳米粒子的分散性和逾渗问题。本项目借助SEM、TEM技术，ImageJ方法，通过统计学中的样方法（Quadratbased method）、最小邻域距法（Nearest neighborhood distance method），求得表征纳米粒子分散均匀性的偏度参数和表征纳米粒子在基体中分布均匀性的距离比参数，定量表征纳米粒子在复合物中的分散性，并研究分散性对复合物空间电荷特性、介电谱特性、耐电晕性和击穿特性等介电行为的影响；研究不同无机物、不同含量、不同基体纳米复合物的逾渗阈值及与介电行为的关系。

纳米复合电介质的介电性与纳米粒子的分散性有关，本项目通过不同的制备方法，得到具有不同分散性的纳米SiO2、Al2O3复合硅橡胶和环氧树脂复合材料，借助扫描电镜、透射电镜以及ImageJ软件和森下氏指数方法、样方法、最小邻域距方法等数学方法，定量表征纳米粒子在复合物中的分散性，测试了复合物的介电谱特性，空间电荷特性，电导电流特性，击穿特性，耐电晕性等介电特性，分析分散性对复合材料介电性的影响，得出在一定含量范围内，分散性越好，复合材料的介电常数越小，基穿场强越高，耐电晕性越好。复合材料的击穿场强随纳米无机物含量的增加先提高后下降，存在阈值，结合纳米无机物体积分数、粒径等参数计算发现复合材料特性的变化符合逾渗理论。制备纳米SiO2、Al2O3、MgO和ZnO乙醇悬浮液，测试悬浮液的Zeta电位，以及制备纳米ZnO、SiO2、MgO、Al2O3、TiO2复合环氧树脂，测试复合材料的介电特性，借助纳米粒子乙醇悬浮液的Zeta电位，表征粒子与基体间的界面结合强度，分析不同纳米无机氧化物及其含量对复合材料介电性的影响。外绝缘用高温硫化硅橡胶中加入纳米SiO2，测试了复合硅橡胶的耐漏电起痕特性和憎水性，以及与纳米SiO2含量的关系，明确了纳米SiO2对硅橡胶外绝缘耐漏电起痕特性和憎水性改善作用。高压电机主绝缘粘合剂环氧桐马酸酐中加入纳米SiO2，测试了复合环氧桐马酸酐的击穿特性、机械特性和耐电、热老化特性，发现质量分数为1%和2%纳米SiO2可以改善环氧桐马酸酐的机械特性和耐电、热老化特性。利用纳米SiC和纳米BaTiO3非线性特性，制备具有非线性电导特性的纳米SiC/硅橡胶复合材料和具有非线性介电常数特性的纳米BaTiO3/硅橡胶复合材料，测试复合材料非线性特性随纳米SiC和碳化硅和纳米BaTiO3含量的关系，以及复合材料的击穿特性、介电谱特性等介电性，并利用仿真软件仿真分析了非线性材料应用于电缆终端和复合绝缘子对电场集中的改善作用。