【摘要】：縱觀世界各國(guó)對(duì)跨區(qū)域、高容量和高電壓電網(wǎng)建設(shè)布局,高壓直流和輸電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展需求日益增高�？紤]到電纜附件是直流電纜系統(tǒng)的重要組成部分,而其中的電場(chǎng)調(diào)控材料對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。但是,目前關(guān)于溫度對(duì)電場(chǎng)調(diào)控材料非線性電導(dǎo)特性影響的研究仍不完善,且關(guān)于非線性電導(dǎo)特性的提高和高溫穩(wěn)定性的解決方案仍限制在使用金屬或碳基導(dǎo)電填料。本論文使用電場(chǎng)調(diào)控材料最常用的基體材料之一,三元乙丙橡膠(EPDM)作為基體材料,添加應(yīng)用最廣泛的非線性電導(dǎo)填料氧化鋅(ZnO)制備了 ZnO/EPDM復(fù)合材料,研究了其不同溫度下的非線性電導(dǎo)特性;研究了納米二硫化鎢(WS2)的多層片狀結(jié)構(gòu)對(duì)WS2/EPDM復(fù)合材料非線性電導(dǎo)特性的影響,驗(yàn)證了 WS2作為非線性電導(dǎo)填料的可能性。在此基礎(chǔ)上,使用離子液體(ILs)與特定含量的ZnO和WS2復(fù)合后,制備了 ILs-ZnO/EPDM復(fù)合材料和ILs-WS2/EPDM復(fù)合材料,并分別研究了 ILs對(duì)其非線性電導(dǎo)等相關(guān)特性的影響。具體內(nèi)容如下:(1)通過(guò)雙輥開(kāi)煉機(jī)制備了 ZnO/EPDM復(fù)合材料,研究了溫度對(duì)其非線性電導(dǎo)特性的影響,以及ZnO含量對(duì)其熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明ZnO/EPDM復(fù)合材料在25 ℃和50 ℃時(shí)的非線性電導(dǎo)相對(duì)穩(wěn)定,但ZnO含量較高的60phr-ZnO/EPDM復(fù)合材料在80℃時(shí)的非線性電導(dǎo)出現(xiàn)降低;ZnO含量大于30phr后,ZnO/EPDM復(fù)合材料在25℃時(shí)的電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)強(qiáng)于50℃時(shí)的情況。(2)通過(guò)對(duì)納米WS2剝離均化,得到片層大小和厚度相對(duì)均一的exfoliated-WS2納米顆粒,并對(duì)剝離均化前后的WS2進(jìn)行形貌表征和對(duì)比分析。比較original-WS2/EPDM復(fù)合材料和exfoliated-WS2/EPDM復(fù)合材料在25℃時(shí)的非線性電導(dǎo)特性,發(fā)現(xiàn)WS2的剝離均化對(duì)復(fù)合材料非線性電導(dǎo)特性有顯著影響,并驗(yàn)證了WS2 為非線性電導(dǎo)填料的可能性。進(jìn)一步具體研究了 exfoliated-WS2/EPDM復(fù)合材料在不同溫度下的非線性電導(dǎo)特性,以及直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)和導(dǎo)熱特性。結(jié)果表明WS2含量大于30phr時(shí)WS2/EPDM復(fù)合材料才開(kāi)始表現(xiàn)出比較明顯的非線性電導(dǎo)特性,含量為50phr和60phr時(shí)WS2/EPDM復(fù)合材料在高溫時(shí)的非線性電導(dǎo)特性有所減弱。(3)根據(jù)前文研究結(jié)果,將極少量的多壁碳納米管(MWCNTs)與30phr的WS2組成MWCNTs-WS2混合物并作為填料制備了 MWCNTs-WS2/EPDM復(fù)合材料,研究了MWCNTs對(duì)其熱導(dǎo)率和非線性電導(dǎo)等相關(guān)特性的影響。結(jié)果表明,適量MWCNTs有助于提高WS2/EPDM復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,并能在一定程度上改善WS2/EPDM復(fù)合材料非線性電導(dǎo)的穩(wěn)定性。(4)根據(jù)前文研究結(jié)果,使用極少量的ILs分別與30phr的ZnO和WS2混合制備ILs-ZnO/EPDM復(fù)合材料和ILs-WS2/EPDM復(fù)合材料,通過(guò)對(duì)其非線性電導(dǎo)等相關(guān)特性研究發(fā)現(xiàn),0.75phr-ILs-ZnO/EPDM復(fù)合材料和0.50phr-ILs-WS2/EPDM復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)表現(xiàn)出了最好的溫度穩(wěn)定性。但I(xiàn)Ls的添加對(duì)熱導(dǎo)率并沒(méi)有明顯的改善。(5)根據(jù)ILs-ZnO/EPDM復(fù)合材料的相關(guān)特性研究,選定ILs用量為0.75 phr的0.75-ILs-30phr-ZnO/EPDM復(fù)合材料為研究體系,嘗試探索其他8種不同ILs對(duì)0.75-ILs-30phr-ZnO/EPDM復(fù)合材料不同溫度下的非線性電導(dǎo)特性的影響差異。結(jié)果表明在25℃和50℃時(shí)復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)差異不大,在80℃時(shí)差異相對(duì)明顯。
【圖文】：

位一般為ｋＶ／ｍｍ；邋ａ就是非線性系數(shù)（ｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｘｐｏｎｅｎｔ）。材料電導(dǎo)率隨電逡逑場(chǎng)強(qiáng)度的非線性變化可以有多種表現(xiàn)形式，比較常見(jiàn)的如電流隨電壓的非線逡逑性變化，如圖２－ｌ（ａ）所示；另一種常見(jiàn)的形式就是直接用電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度逡逑的變化，如圖２－ｌ（ｂ）所示。通過(guò)＾五的關(guān)系圖，我們能很直觀地看到電導(dǎo)率隨逡逑電場(chǎng)強(qiáng)度的非線性變化。通過(guò)對(duì)電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化的五圖中的低電場(chǎng)逡逑強(qiáng)度和進(jìn)入非線性增大區(qū)域的高電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)的曲線分別線性擬合，如圖２－ｌ（ｂ）逡逑所示，可以得到兩個(gè)線性函數(shù)，兩線性函數(shù)斜率的比值即為非線性系數(shù)《。逡逑對(duì)于電場(chǎng)調(diào)控材料的分類，可以根據(jù)基體材料或填料的不同進(jìn)行分類，也逡逑可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同進(jìn)行分類，，對(duì)于不同應(yīng)用領(lǐng)域，在本文另有討論。逡逑根據(jù)電場(chǎng)調(diào)控復(fù)合材料中填料自身電導(dǎo)特性的不同，可將其分為兩類：逡逑一類填料是本身不具有非線性電導(dǎo)特性，通常為良導(dǎo)體，這類填料主要是導(dǎo)逡逑電性良好的金屬、金屬氧化物以及碳基材料。這類材料填充制備的復(fù)合材料逡逑具有非線性電導(dǎo)特性的原因是當(dāng)填料含量接近逾滲閾值時(shí)

圖２－２導(dǎo)電填料在復(fù)合材料中的逾滲現(xiàn)象示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ邋ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ逡逑對(duì)于逾滲理論的模型，添加導(dǎo)電填料的逾滲現(xiàn)象可表述如圖２－２。逡逑Ｋｉｒｐａｔｒｉｃｋ等人最早將經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論引入二元混合體系，其觀點(diǎn)是將復(fù)合材料逡逑看作是三維的有限點(diǎn)陣，而填料則視為在該點(diǎn)陣上的隨機(jī)分布，那么當(dāng)填料逡逑的占有概率達(dá)到某個(gè)值時(shí)，整個(gè)或大部分點(diǎn)陣形成了有效的陣列聯(lián)通［２９］。類逡逑似的，Ｚａｌｌｅｎ等人［３Ｑ］用蒙特卡洛統(tǒng)計(jì)方法對(duì)導(dǎo)電填料在復(fù)合材料中的逾滲閾逡逑值進(jìn)行了討論，其認(rèn)為填料形成有效連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的幾率與兩個(gè)概率有關(guān)，即臨逡逑近填料顆粒之間接觸的統(tǒng)計(jì)平均數(shù)Ｇ與每個(gè)填料顆粒在復(fù)合材料中的最大逡逑允許接觸數(shù)Ｇ。那么，在逾滲閾值附近，復(fù)合材料內(nèi)部形成有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的逡逑臨界幾率Ｐｅ與它們的關(guān)系可表述為：逡逑Ｃｐ邐＝邋Ｐｃ－Ｚ邐（２－６）逡逑其中，Ｚ是最大可能的接觸數(shù)或叫配位數(shù)Ｃ邋＝邋Ｆ（０），０是對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)，逡逑在臨界狀態(tài)有逡逑ＣＰ邐＝邋Ｆ（０Ｃ）邐（２－７）逡逑為計(jì)算出臨界體積分?jǐn)?shù)０（；
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2691101