高介电性能纳米MgO/聚乙烯复合电介质界面状态及介质模型研究

与交联聚乙烯相比，纳米氧化镁（MgO）/交联聚乙烯复合电介质材料的直流和冲击击穿场强都得到了显著提高。本项目以这种电介质为具体研究对象，以纳米MgO颗粒与聚乙烯复合后形成的界面结构与状态、电荷在复合介质中的输运与存储过程、纳米复合聚合物的介电特性为主要研究内容，探明纳米MgO/聚乙烯复合介质的工作机理，并探索建立一个以纳米MgO的特性为基础的多势阱电介质模型，对复合介质进行有效描述。为进一步理解材料的行为提供理论依据。利用多种方法研究MgO纳米颗粒与偶联剂以及与聚合物分子之间的化学及物理结构，尤其要侧重界面电学结构的研究，利用热激电流和光激放电方法对陷阱从浅到深进行宽能谱范围表征，同时利用电场力显微镜和脉冲电声法研究MgO颗粒与聚乙烯的接触电势差以及它们之间的电荷转移和局部电导特性，从而获得全面清晰的界面电学结构。本项目具有显著的科学意义和应用价值。

通过实验室制备和对国内工业界生产的纳米MgO 粉体进行筛选和评价，获得最优性能的纳米MgO 粉体材料；通过高衬度电子显微镜验证了纳米MgO/LDPE 复合介质中纳米MgO 粒子在聚乙烯基体中较好分散。纳米MgO 在复合介质中填量在2-4wt%时，可有效抑制空间电荷积聚，提升直流击穿场强15%，提升电阻率1-2 个数量级以上,并有效抑制电树枝的引发和生长。.用云母作衬底制备了表面平整具备片晶结构的试样，应用原子力显微镜的电场力模式，首次发现纳米SiO2/LDPE 复合介质界面存在电场力的分布，LDPE 与MgO/LDPE 中未见，这暗示纳米SiO2 粒子与LDPE 基体界面存在较强的界面电荷。应用电声法测量了聚乙烯蜡中几种纳米粒子的ζ电位，证明了它们在非极性链烃粘稠流体中可荷电，发现SiO2, MgO, TiO2的ζ电位绝对值与它们的聚乙烯复合介质抑制电导电流的能力正相关，表明纳米颗粒与基体界面的荷电能力会抑制载流子输运。.吸潮对纳米MgO/LDPE 复合介质介电性能有较大影响，40%相对湿度下，复合介质放置一周后，吸水量比基体树脂高近30%约1‰，在低于20kV/mm场强下，复合介质可完全抑制含水造成的电导增加。较高场强下，复合介质所有电性下降。且材料通过48h 低于200℃的真空烘干处理，复合介质中仍有1‰的水分被极性较强的MgO纳米颗粒束缚在颗粒表面无法消除, 抑制空间电荷和耐电树能力不可恢复，可能是纳米粒子周围的水分改变了原有的界面荷电分布。复合介质中纳米颗粒含水使介质丧失电树枝抑制能力暗示复合介质抑制电树枝破坏的能力不是源于纳米颗粒的物理阻挡，而是源于界面电荷对电子的散射。基体树枝LDPE中添加抗氧剂，使体系空间电荷积累加剧，可能是引入了更多的空穴和电子陷阱。经熔体过滤及真空去气处理后，LDPE异极性空间电荷量明显降低表明，易挥发的杂质和低分子是异极性空间电荷的主要来源。通过添加纳米MgO可有效抑制由于抗氧剂或杂质引发的空间电荷积聚并使熔体过滤及真空去气处理后介质中的电荷达到更低水平。.依据复合材料的电导温度特性和场强特性对直流高压电缆绝缘层中电场分布进行数值分析。纳米复合材料体系电导具备较小的温度系数和较大的场强系数，可在绝缘层温差较大的情形下，依然维持绝缘层内场强分布较为均匀；纳米复合材料电导率随温度变化较小，可理解为纳米粒子抑制了载流子的热激发。