聚合物/无机纳米复合物界面微域与空间电荷抑制机理研究

聚合物/无机纳米复合物的界面微域是影响纳米复合材料微观结构与宏观性能最重要的因素之一。界面微域的形成不仅取决于无机纳米填料、基体树脂自身的性质、尺度和形状等因素，而且与复合工艺、相容剂的种类以及试样制备方法等密切相关。如果通过纳米复合技术能够调控聚合物与无机纳米微粒的界面结合状态，进而调控复合材料的亚微观（介观）形态，使无机纳米相在聚合物基体内既能形成准均匀相结构，通过纳米尺度效应改善复合材料体内的场强分布，又能够通过无机纳米的界面效应吸收和消耗放电产生的高能粒子的能量，从根本上抑制空间电荷积聚和电树枝的生长，从而为提高绝缘的长期介电性能和使用寿命寻找到新的方法和途径。.借助于空间电荷分布测量、热激电流谱、光激电流谱、和场致发光的测量技术，可以从不同角度揭示纳米复合物中陷阱类型及对空间电荷的调制作用。配合动态力学、DSC、AFM表征等微观分析手段，建立聚合物/无机纳米复合材料界面微域形态与

本项目的研究目的是探索聚合物/无机纳米相界面微域结构与复合材料陷阱特性之间关系，从而揭示聚合物/无机纳米复合材料抑制空间电荷的机理。研究工作分别利用SEM、TEM、PLM等分析手段对复合材料的微观、介观结构进行了分析表征，采用了PEA空间电荷分布测试、热激电流、电树枝引发等研究方法，探讨了纳米复合物不同界面微域结构与介电性能的关系，取得的研究进展如下：（1）通过不同的复合工艺参数设计，探讨了温度、剪切力等对聚乙烯/蒙脱土和环氧树脂/蒙脱土复合物界面结合形态、分散行为的影响。基于极性相似相容原理，提出了极性差对蒙脱土与聚合物界面结合行为调制的物理模型；（2）探讨了无机纳米相采用不同有机化处理方法所形成不同界面对复合材料空间电荷特性的影响。发现：无机纳米蒙脱土的引入，使聚乙烯、交联聚乙烯体内空间电荷积聚的现象得到不同程度的改善。尤其是加入一定比例的经过有机化和偶联剂联合处理的纳米蒙脱土后，聚乙烯/蒙脱土复合物试样的空间电荷几乎完全消失。据此提出有机化蒙脱土以陷阱复合中心的方式，减小空间电荷积聚的作用机理；（3）系统研究了不同偶联剂处理、不同粒径尺度、不同含量的纳米氧化锌/聚乙烯复合体系的击穿性能和空间电荷性能。发现：偶联剂性质对复合材料击穿性能的影响远大于无机组分含量的影响。据此提出聚合物/无机纳米复合物界面相容性是影响复合材料介电性能关键因素的观点；（4）系统地研究了不同结晶形态聚丙烯/蒙脱土纳米复合物中的电树性能。发现：MMT的加入起到了异向成核剂的作用。当蒙脱土含量在3%时，复合材料球晶尺寸明显减小，PP/MMT试样的引发概率明显降低。据此提出了无机纳米蒙脱土片层在抑制电树生长方面的作用分别为晶核剂效应和陷阱作用机理。（5）研制了适用于薄片试样的低储能冲击电压实验系统，并利用该系统对聚合物/无机纳米复合材料进行了冲击电压的击穿试验研究。（6）通过设计改进上、下电极系统，研制了温度可调的电声脉冲（PEA）法空间电荷测试系统，并利用该系统分别对聚乙烯/蒙脱土纳米复合物和聚丙烯/纳米复合物试样进行了试验研究。