聚乙烯基纳米沸石复合电介质的制备与介电性能研究

At present, the research on nano-dielectric material is mainly focused on nano inorganic oxide doping, and the relevant performance data is insufficient. Furthermore, the study on the relationship between nanoscale structure and macroscopic performance is far from enough. In this project, aluminosilicate oxide with special porous structure - nano zeolite is applied as dopant, different from the common inorganic nanoparticles, and the low-density polyethylene (LDPE) is applied as the basis material, respectively. By improving the material treatments and blending process, the preparation of the new type LDPE/zeolite nanocomposite is achieved, which is with special porous structure and uniformly distributed nanoparticles. The microstructure, interface characteristics, and the molecular chain arrangement of LDPE/zeolite nanocomposite are characterized and analyzed by various microscopy and characterization methods, and the microscopic distribution and movement of charge under electric force microscopy in nanocomposite are characterized. The regularity between the microstructure and the doping species and concentrations will be investigated. Meanwhile, a variety of dielectric properties of LDPE/zeolite nanocomposite are tested, especially the space charge distribution, conduction current under electric field, the trap distribution obtained by thermal stimulation current test and photo-stimulated discharge test, and the breakdown and aging characteristics. And then, the relationship among these dielectric properties is to be established. In addition, combining with the microscopic characterization and the dielectric properties, the relationship between microstructure and macroscopic performance of LDPE/zeolite nanocomposite is to be obtained, and the relevant mechanism is to be analyzed as well.

目前纳米电介质的研究主要以简单纳米无机氧化物的掺杂为主，相关的性能研究数据有限，且在纳米尺度上的结构与宏观性能间的关联研究还远远不够。本项目选择在普通无机纳米粒子以外，利用具有特殊多孔纳米结构的硅铝酸氧化物-纳米沸石作为掺杂物，以低密度聚乙烯为基体，通过改进材料处理和共混工艺方法，制备出纳米粒子分散均匀的，具有特殊纳米孔洞结构的新型复合电介质材料；利用多种显微和表征方法对微观结构、界面特征、聚合物分子链团构型进行表征和分析，对电场力下电荷的微观分布和运动进行表征，掌握微观结构随掺杂种类和浓度的变化规律；同时对复合材料的多种介电性能进行测试，着重研究电场条件下的空间电荷分布和电导特性，热刺激电流和光激电流测试获得的陷阱分布规律，以及复合材料的击穿老化特性，并建立各介电性能间的关联；结合微观表征的结果，建立纳米沸石复合聚乙烯的微观结构与宏观性能之间的联系，并对相关机理进行分析。

本项目通过利用具有多孔结构的纳米沸石作为填料，利用纳米沸石具有的特殊结构，如纳米尺度多孔结构及远超普通材料的比表面积等性质，增强纳米电介质中的界面效应，并建立微观结构与介电性能之间的关联，探讨纳米沸石复合聚乙烯相关电性能的机理。本项目主要取得的成果有：利用改进的熔融共混方法制备了不同掺杂浓度的4A和NaY纳米沸石复合聚乙烯材料。利用溶液作为纳米粒子的载体进行共混，以增强纳米粒子的分散效果，并在共混过程中逐步去除溶液。经过原子力显微镜、扫描电子显微镜等微观表征手段，发现纳米复合物中纳米沸石粒子分布较为均匀，基本没有哦明显的团聚现象。红外光谱测试发现纳米沸石掺杂未对聚乙烯基体的分子链构成造成影响，且未发现有其他杂质和基团存在，尤其是无羟基基团，证明制备过程中的乙醇溶液未残留。利用宽频介电谱仪对纳米沸石复合聚乙烯进行了介电谱研究，并对室温和高温两种温度下的介电谱进行了分析，纳米沸石复合聚乙烯的介电常数相比纯聚乙烯普遍下降，这与纳米沸石所具有的多孔结构有关，利用M-W理论研究了复合物的介电弛豫规律，发现纳米复合物中频部分的介电损耗峰是由界面极化造成的，并利用Arrhenius方程分析了温度升高时损耗峰向高频移动的特性。利用电声脉冲法和热刺激电流法研究了纳米沸石复合聚乙烯的空间电荷抑制现象和陷阱分布。实验发现纳米沸石掺杂聚乙烯材料可以有效的抑制空间电荷的积累，并减少异极性电荷的数量，短路衰减实验则发现纳米复合物中的入陷电荷多数为深陷阱电荷，与热刺激电流实验的结果较好符合。深陷阱的引入也削弱了杂质电离所产生的电荷的运动，从而有效的抑制了异极性电荷的作用。通过对纳米沸石复合聚乙烯的击穿性能的测试发现，纳米复合物的交流击穿场强有明显的提高，4A型沸石和NaY型沸石掺杂分别使LDPE的交流击穿场强提高了15%和24%。直流击穿测试发现纳米复合物的直流击穿场强也有6%-10%的提升。对纳米沸石复合聚乙烯的电导电流特性进行了研究，发现纳米掺杂有效的提高了空间电荷注入的阀值，这与空间电荷分布实验中的现象相吻合；同时纳米掺杂所引入的大量陷阱能级使载流子迁移率降低，阻止了电荷的注入，并抑制了杂质电离电荷的移动，从而有效的降低了复合物的电导。