聚合物/纳米氧化石墨烯复合材料的非线性导电机理与介电性能调控

Polymer nanocomposites containing graphene oxide can overcome the limitations of traditional non-linear polymer matrix composites arising from high filler content, which have good prospects in the insulation of power apparatus to improve distribution of the electric field. But it is still unclear that the nonlinear conduction mechanism of polymer nanocomposites containing graphene oxide and the methods for regulating the dielectric properties and of the composites. The researches on epoxy resins nanocomposites containing graphene oxide are carried out as follows: 1) Factors affecting the dielectric properties and nonlinear conductance characteristics of epoxy resins nanocomposites containing graphene oxide are investigated through measuring a variety of dielectric properties. 2) After characterizing the microstructure of the composites by using a variety of analytical tools, the nonlinear conduction mechanism of epoxy resins nanocomposites containing graphene oxide are proposed on the basis of the combination of the dielectric properties and microstructure of the composites. 3) Through numerical simulations, the design methods of using epoxy resins nanocomposites containing graphene oxide in power apparatus and its effects on uniforming electrical fields are studied. This study can provide more experimental evidences and theories for researches on nonlinear nanocomposites, and it is of great scientific significance for better improving distribution of the electric field in high-voltage power apparatus and modifying materials.

聚合物/纳米氧化石墨烯复合材料能有效克服传统聚合物基非线性复合材料因高填料含量所带来的局限，在改善电力设备绝缘结构电场分布方面拥有良好的应用前景。但目前对于聚合物/纳米氧化石墨烯复合材料的非线性导电机理及其介电性能调控方法尚不明确。本项目以环氧树脂/纳米氧化石墨烯复合材料为研究对象，开展如下科学问题研究：1）通过多种介电性能的实验测量，研究多种因素对环氧树脂/纳米氧化石墨烯复合材料介电性能及其非线性电导特性的影响机制；2)利用多种微观结构观测与分析手段，实现材料微观结构的有效表征，结合材料介电特性，建立环氧树脂/纳米氧化石墨烯复合材料的非线性导电机理模型；3)通过数值仿真，研究环氧树脂/纳米氧化石墨烯复合材料应用于电力设备的绝缘结构设计方法和电场均化效果。本项目可为研究非线性纳米复合材料提供相关实验依据和理论基础，对于更好地解决高压电力设备的电场均化和材料改性问题具有重要的科学研究意义。

随着电网电压等级的不断提升，传输容量越来越大，电力设备愈加紧凑，对设备绝缘结构设计水平要求也越来越高。氧化石墨烯（GO）/环氧（ER）复合材料表现出了一定的非线性电导特性，在电力设备绝缘结构的电场均匀化方面具有较大的应用潜力。本课题制备了不同的GO/ER复合材料试样，对复合材料的微观结构及官能团进行了表征，测量了玻璃化转变温度、宽频介电谱、直流电导及空间电荷特性，并对空间电荷分布和电场均匀化效果开展了仿真分析。微观结构分析表明，单层GO与环氧基体结合较好，而多层GO与环氧基体结合较差，导致多层氧化石墨烯/环氧复合材料的玻璃化转变温度下降明显。单层GO/ER复合材料试样在直流电场下有明显的异极性电荷积聚，在玻璃化转变温度以下会出现较明显的介电松弛现象。单层GO/ER低频区出现的介电松弛现象为电极极化造成的，产生电极极化的载流子主要来源于离子跳跃电导；温度达到80℃以上时，ER基体的直流电导率会明显增大，其载流子主要来源于电子跳跃电导。温度高于复合材料的玻璃化转变温度时，其直流电导率随温度的变化关系均符合Vogel-Fulcher-Tammann模型；ER、单层GO/ER复合材料在高于其玻璃化转变温度时的直流电导主要是电子跳跃电导；而多层GO/ER复合材料在温度处于120℃~150℃之间时，其直流电导主要是电子跳跃电导，在160℃以上开始出现离子跳跃电导。与纯环氧树脂（ER）相比，纳米复合材料的空间电荷视在迁移率较小，而陷阱深度和陷阱电荷数量较大，这很可能是由陷阱的引入引起的。单层GO/ER上观察到了电导率随外施电压升高而非线性变化的现象，数值仿真分析了该非线性电导特性的电场均匀化效果。本项目可为研究纳米聚合物非线性复合材料提供相关实验和理论基础，有助于进一步探索纳米电介质的优异介电性能及其机理，拓宽非线性纳米复合材料在电力设备制造领域的应用范围。