聚合物絕緣材料中空間電荷的注入、輸運(yùn)、積聚和消散過程與材料的陷阱特性密切相關(guān)。為研究氧化石墨烯（GO）添加對聚乙烯材料陷阱特性的影響,制備了GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.001%、0.005%、0.01%、0.02%、0.05%的氧化石墨烯/低密度聚乙烯（LDPE）納米復(fù)合材料,基于等溫表面電位衰減（ISPD）法研究了30℃、50℃和70℃下GO/LDPE納米復(fù)合材料的陷阱分布特性。研究發(fā)現(xiàn):GO/LDPE試樣均存在2個(gè)陷阱能級中心,隨GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至0.05%,試樣陷阱能級呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;當(dāng)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí),復(fù)合材料的深陷阱能級和密度最大;隨著溫度的升高,復(fù)合材料深陷阱中心所捕獲的電荷更易發(fā)生脫陷過程,從而導(dǎo)致復(fù)合材料視在深陷阱能級增大。分析認(rèn)為,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的GO納米添加可以增大復(fù)合材料深陷阱密度,降低載流子遷移率,從而有效抑制電荷向試樣內(nèi)部的遷移過程。 

【文章來源】：高電壓技術(shù). 2017,43(11)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

GO/LDPE納米復(fù)合材料斷面微觀形貌

李忠磊，韓晨磊，趙偉銘，等：基于等溫表面電位衰減法的氧化石墨烯/低密度聚乙烯納米復(fù)合材料陷阱分布特性3585試樣表面電位衰減特性曲線。實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖2所示，電暈充電電極采用針–柵–板電極，柵電極距針尖和試樣表面距離均為5mm。針電極電壓8kV，柵極電壓6kV，電暈時(shí)間10min。電暈結(jié)束后，將試樣快速移動至表面電位計(jì)探頭下方，探頭下表面距試樣上表面距離為3mm，測量并記錄試樣表面電位衰減曲線。實(shí)驗(yàn)電極裝置與電位計(jì)測量探頭均置于恒溫箱中，箱中溫度分別設(shè)定為30、50和70C，相對濕度保持25%。1.3基于ISPD的陷阱分布特性理論推導(dǎo)電荷的輸運(yùn)與消散過程與電荷的入陷脫陷過程密切相關(guān)。對于ISPD法，針電極電暈產(chǎn)生的帶電離子會在外施電場作用下向試樣表面遷移并達(dá)到試樣表面，然后被試樣表層陷阱所捕獲，形成表面電荷積聚。一般認(rèn)為，表面電荷通過3種途徑消散：一是與空氣中的帶電離子發(fā)生中和；二是沿試樣表面遷移；三是注入到試樣內(nèi)部并向地電極遷移[20]。本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境相對濕度被控制在約25%，因此忽略空氣中帶電離子對表面電荷的影響。同時(shí)，因柵電極的設(shè)置，使得電暈充電后試樣表面中心位置各處的表面電位基本相同，試樣表面切向方向的感應(yīng)電場幾乎為0，故電荷難以沿試樣表面向地電極遷移。試樣表面電位與地電極之間形成感應(yīng)電場，使得電荷受到一個(gè)指向地電極方向的庫侖力作用，導(dǎo)致陷阱中的電荷發(fā)生脫陷并向試樣內(nèi)部遷移�；赟immons和Tam提出的理論，假設(shè)表面電位衰減過程中電荷脫陷后不再發(fā)生入陷過程，并忽略空穴與電子的復(fù)合行為�？昭ū患ぐl(fā)到價(jià)帶所形成的電流密度J可表示為[21]()FnV0tn1()()()ed2EetEqLJfENEeEE=∫(1)式中：q為空穴電荷量；L為試樣的厚度；E為能級；E

=EE=kTln(υt)(8)基于ISPD法測量得到GO/LDPE的表面電位衰減特性，并對表面電位衰減曲線進(jìn)行擬合得到Vs(t)函數(shù)表達(dá)式，利用式(7)、(8)即可得到試樣的陷阱能級分布特性。實(shí)驗(yàn)表明，采用雙指數(shù)函數(shù)可以很好地對不同溫度下各組試樣的ISPD曲線進(jìn)行擬合，雙指數(shù)函數(shù)表達(dá)式為12//s12()eettVtAAττ=+(9)式中：A1、A2和τ1、τ2均為擬合參數(shù)。利用式(7)和(8)對A1e–t/τ1和A2e–t/τ22部分對應(yīng)的陷阱能級分布進(jìn)行計(jì)算，分別得到2個(gè)陷阱中心對應(yīng)的能級分布特性，見圖3。同時(shí)，分別計(jì)算深、淺陷阱能級分布的面積即得到2個(gè)陷阱中心的密度。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.1體積電阻率測試采用三電極法測量GO/LDPE復(fù)合積電阻率。圖4為高阻計(jì)記錄的GO/LDPE復(fù)合材料電流密度隨極化時(shí)間的變化曲線。在極化的開始階段，測量的電流密度包括電容電流和電導(dǎo)電流；隨著測量時(shí)間的增加，電容電流分量逐漸減小，導(dǎo)致測量得到的電流不斷減小并逐漸趨近于試樣電導(dǎo)電流。隨著GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至0.01%時(shí)，電導(dǎo)電流密度逐漸降低；而從0.01%增加到0.05%時(shí)，電流密度又明顯增大；當(dāng)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，復(fù)合材料的電導(dǎo)電流密度最校對測量過程中電流密度的最后50個(gè)采樣點(diǎn)求平均值作為各組試樣的直流電導(dǎo)電流密度，并計(jì)算得到GO/LDPE復(fù)合材料直流電阻率，見表1。由表1可見，隨著GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0至0.05%增大，復(fù)合材料試樣體積電阻率呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，復(fù)合材料體積電阻率最大，與純LDPE試樣相比提高約15倍。而當(dāng)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.01%增加到0.05%時(shí)，GO/LDPE復(fù)合材料的體積電阻率又明顯下降。2.2GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料陷阱分布特性的影響圖5為實(shí)驗(yàn)溫度70C時(shí)，不同GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的LDPE

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜應(yīng)用與研究進(jìn)展[J]. 杜伯學(xué),李忠磊,楊卓然,李進(jìn).  高電壓技術(shù). 2017(02)
[2]硅橡膠/SiC復(fù)合材料非線性電阻及電荷輸運(yùn)特性[J]. 楊卓然,李忠磊,李進(jìn),杜伯學(xué).  中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2016(24)
[3]采用等溫表面電位衰減法表征LDPE與HDPE內(nèi)陷阱的分布特性[J]. 劉孟佳,周福升,陳錚錚,李建英,閔道敏,李盛濤,李茜,夏榮.  中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2016(01)
[4]中國交聯(lián)聚乙烯絕緣高壓直流電纜發(fā)展的三級跳:從160kV到200kV再到320kV[J]. 謝書鴻,傅明利,尹毅,薛建凌,胡明.  南方電網(wǎng)技術(shù). 2015(10)
[5]基于等溫表面電位衰減法的直流電纜用低密度聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯陷阱電荷分布特性[J]. 歐陽本紅,趙健康,周福升,李建英,閔道敏,劉孟佳.  高電壓技術(shù). 2015(08)
[6]擠壓型高壓直流電纜研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)述評[J]. 何金良,黨斌,周垚,胡軍.  高電壓技術(shù). 2015(05)
[7]納米顆粒填充濃度和表面處理對納米MgO/PP空間電荷行為的影響[J]. 操衛(wèi)康,李喆,龔瑾,盛戈皞,江秀臣.  高電壓技術(shù). 2015(05)
[8]交、直流電場作用下交聯(lián)聚乙烯中的空間電荷習(xí)性（英文）[J]. C.Zhou,G.Chen.  高電壓技術(shù). 2015(04)
[9]直流電纜料工作溫度和擊穿特性的納米改性研究[J]. 陳錚錚,趙健康,歐陽本紅,張東菲,李建英,王詩航.  高電壓技術(shù). 2015(04)

博士論文
[1]聚乙烯基無機(jī)納米復(fù)合電介質(zhì)的陷阱特性與電性能研究[D]. 田付強(qiáng).北京交通大學(xué) 2012



本文編號：3287849