聚乙烯基納米沸石複合電介質的製備與介電性能研究

《聚乙烯基納米沸石複合電介質的製備與介電性能研究》是依託哈爾濱理工大學，由韓柏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：聚乙烯基納米沸石複合電介質的製備與介電性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：韓柏
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

目前納米電介質的研究主要以簡單納米無機氧化物的摻雜為主，相關的性能研究數據有限，且在納米尺度上的結構與巨觀性能間的關聯研究還遠遠不夠。本項目選擇在普通無機納米粒子以外，利用具有特殊多孔納米結構的矽鋁酸氧化物-納米沸石作為摻雜物，以低密度聚乙烯為基體，通過改進材料處理和共混工藝方法，製備出納米粒子分散均勻的，具有特殊納米孔洞結構的新型複合電介質材料；利用多種顯微和表征方法對微觀結構、界面特徵、聚合物分子鏈團構型進行表征和分析，對電場力下電荷的微觀分布和運動進行表征，掌握微觀結構隨摻雜種類和濃度的變化規律；同時對複合材料的多種介電性能進行測試，著重研究電場條件下的空間電荷分布和電導特性，熱刺激電流和光激電流測試獲得的陷阱分布規律，以及複合材料的擊穿老化特性，並建立各介電性能間的關聯；結合微觀表征的結果，建立納米沸石複合聚乙烯的微觀結構與巨觀性能之間的聯繫，並對相關機理進行分析。

結題摘要

本項目通過利用具有多孔結構的納米沸石作為填料，利用納米沸石具有的特殊結構，如納米尺度多孔結構及遠超普通材料的比表面積等性質，增強納米電介質中的界面效應，並建立微觀結構與介電性能之間的關聯，探討納米沸石複合聚乙烯相關電性能的機理。本項目主要取得的成果有：利用改進的熔融共混方法製備了不同摻雜濃度的4A和NaY納米沸石複合聚乙烯材料。利用溶液作為納米粒子的載體進行共混，以增強納米粒子的分散效果，並在共混過程中逐步去除溶液。經過原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等微觀表征手段，發現納米複合物中納米沸石粒子分布較為均勻，基本沒有喔明顯的團聚現象。紅外光譜測試發現納米沸石摻雜未對聚乙烯基體的分子鏈構成造成影響，且未發現有其他雜質和基團存在，尤其是無羥基基團，證明製備過程中的乙醇溶液未殘留。利用寬頻介電譜儀對納米沸石複合聚乙烯進行了介電譜研究，並對室溫和高溫兩種溫度下的介電譜進行了分析，納米沸石複合聚乙烯的介電常數相比純聚乙烯普遍下降，這與納米沸石所具有的多孔結構有關，利用M-W理論研究了複合物的介電弛豫規律，發現納米複合物中頻部分的介電損耗峰是由界面極化造成的，並利用Arrhenius方程分析了溫度升高時損耗峰向高頻移動的特性。利用電聲脈衝法和熱刺激電流法研究了納米沸石複合聚乙烯的空間電荷抑制現象和陷阱分布。實驗發現納米沸石摻雜聚乙烯材料可以有效的抑制空間電荷的積累，並減少異極性電荷的數量，短路衰減實驗則發現納米複合物中的入陷電荷多數為深陷阱電荷，與熱刺激電流實驗的結果較好符合。深陷阱的引入也削弱了雜質電離所產生的電荷的運動，從而有效的抑制了異極性電荷的作用。通過對納米沸石複合聚乙烯的擊穿性能的測試發現，納米複合物的交流擊穿場強有明顯的提高，4A型沸石和NaY型沸石摻雜分別使LDPE的交流擊穿場強提高了15%和24%。直流擊穿測試發現納米複合物的直流擊穿場強也有6%-10%的提升。對納米沸石複合聚乙烯的電導電流特性進行了研究，發現納米摻雜有效的提高了空間電荷注入的閥值，這與空間電荷分布實驗中的現象相吻合；同時納米摻雜所引入的大量陷阱能級使載流子遷移率降低，阻止了電荷的注入，並抑制了雜質電離電荷的移動，從而有效的降低了複合物的電導。