絕緣擊穿是高性能工程電介質(zhì)材料發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題.順應(yīng)第三代電網(wǎng)的發(fā)展要求,超/特高壓交直流電力設(shè)備、智能電網(wǎng)、電力物聯(lián)網(wǎng)和極端條件下電力設(shè)備的需求對工程電介質(zhì)的擊穿性能提出了更高的要求.本文綜述了工程電介質(zhì)材料擊穿的研究現(xiàn)狀,圍繞電介質(zhì)擊穿和理論機(jī)理、性能演變規(guī)律、性能改善提升、新型高性能納米復(fù)合電介質(zhì)和聚合物微觀分子設(shè)計(jì)/調(diào)控等內(nèi)容展開論述.首先,基于電介質(zhì)擊穿和劣化的時(shí)空層次關(guān)系,論述了強(qiáng)場空間電荷擊穿以及能量累計(jì)效應(yīng),拓展了電、熱、電-機(jī)械擊穿理論.其次,闡述了電介質(zhì)擊穿特性以及統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律,分析了聚合物電介質(zhì)本征擊穿場強(qiáng)與溫度、電壓形式、空間電荷積聚和試樣厚度的關(guān)系.再次,論述了高性能電介質(zhì)材料的擊穿特性以及性能調(diào)控方法;闡釋了納米復(fù)合電介質(zhì)的研究現(xiàn)狀和界面區(qū)作用機(jī)理,分析了聚合物微觀分子設(shè)計(jì)的調(diào)控方法,以及對擊穿的改性作用.最后,結(jié)合未來電力設(shè)備的發(fā)展需求,總結(jié)了高擊穿性能電介質(zhì)的關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢,為新能源電力系統(tǒng)中工程電介質(zhì)的發(fā)展提供依據(jù)和思路. 

【文章來源】：科學(xué)通報(bào). 2020,65(31)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)版彩色)空間電荷特性與擊穿的關(guān)系.(a)電荷注入、入陷/脫陷、遷移和空間電荷積聚到擊穿[42];(b)電荷積聚量與電場強(qiáng)度的關(guān)系[25]

納米粒子摻雜到聚合物基體中主要通過直接摻雜和表面偶聯(lián)改性后摻雜.偶聯(lián)劑主要有胺基硅烷、三乙氧基乙烯硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷等.從結(jié)構(gòu)來看,偶聯(lián)劑的分子量較低且?guī)в卸嘶?端基可以將粒子與基體通過化學(xué)鍵聯(lián)接一起,增強(qiáng)二者間的作用強(qiáng)度,紅外光譜結(jié)果可以證明此點(diǎn)[63].圖4為納米Si O2經(jīng)不同偶聯(lián)劑改性后摻雜到交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)中所形成的復(fù)合物擊穿特性.可以看出,經(jīng)偶聯(lián)劑處理后,所有Si O2/XLPE試樣的擊穿強(qiáng)度增大,提高的效果為:triethoxyvinylsilane(TES)>aminopropyl-trimethoxysilane(AEAPS)>hexamethyldisilazane(HMDS).進(jìn)一步的研究表明[63],納米試樣的Tg比純XLPE高5°C;純XLPE、未經(jīng)改性和經(jīng)過AEAPS改性的試樣,三種試樣的結(jié)晶度都約為44%～45%;經(jīng)TES改性后,試樣的結(jié)晶度約為60%.介電譜測試結(jié)果顯示,未處理和TES處理后,試樣的活化能約為(0.18±0.09) e V,經(jīng)AEAPS和HMDS處理后,試樣的活化能約為0.31～0.34 e V.熱刺激電流(thermally stimulated current,TSC)測試結(jié)果同樣顯示,未處理和TES處理試樣的C4峰的陷阱能級約為0.37～0.41 e V,經(jīng)AEAPS和HMDS處理試樣的陷阱能級約為2.0～2.4 e V.這些結(jié)果表明,偶聯(lián)劑類型影響粒子的表面狀態(tài),進(jìn)而影響粒子與基體間的相互作用強(qiáng)度、交互區(qū)內(nèi)分子鏈的排列及運(yùn)動(dòng)性能和交互區(qū)內(nèi)的陷阱等,從而影響著材料的擊穿性能.納米粒子的含量、粒徑和類型影響納米復(fù)合電介質(zhì)的體擊穿性能[64～66].很多研究結(jié)果表明,少量納米粒子可以提高復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng).LDPE/Al2O3[67]納米復(fù)合電介質(zhì)的擊穿研究表明,擊穿場強(qiáng)隨納米Al2O3含量增加先增大后減小.類似結(jié)果也出現(xiàn)在LDPE/Ti O2[67,68]、(聚酰亞胺)PI/Si O2[69]、(環(huán)氧樹脂)epoxy resin EP/Si O2[70]等納米電介質(zhì)中.納米粒子的含量決定著界面區(qū)體積分?jǐn)?shù)和相互作用.少量納米粒子在基體中形成較為獨(dú)立的界面區(qū),界面區(qū)體積分?jǐn)?shù)較大,粒子間相互作用較弱,界面區(qū)效應(yīng)明顯,有利于提高擊穿場強(qiáng).粒徑較小的納米粒子,界面區(qū)的體積分?jǐn)?shù)較大[71],金屬納米粒子與聚合物基體間界面區(qū)體現(xiàn)的庫侖阻塞效應(yīng)較明顯,其擊穿場強(qiáng)較大,這點(diǎn)可以在EP/Ag納米電介質(zhì)中得到證實(shí)[72].然而也有研究表明,摻雜少量納米粒子降低了材料的擊穿場強(qiáng),如在EP中分別添加納米Al2O3和Ti O2,粒子含量為0.1、0.5、1、5和10 wt%,復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)降低了[65].

納米電介質(zhì)對擊穿的提升機(jī)理和陷阱特性與納米粒子和聚合物分子鏈之間形成的復(fù)雜界面區(qū)密切相關(guān).圖6為納米粒子添加到聚合物中后與分子鏈的作用、界面區(qū)及陷阱分布特性.納米粒子位于聚合物基體中的無定形區(qū)或結(jié)晶區(qū)中,其小尺寸效應(yīng)和大的比表面積導(dǎo)致其與聚合物分子鏈發(fā)生較強(qiáng)的相互作用,形成界面區(qū).如圖6(a)所示,納米粒子的引入造成界面區(qū)分子鏈重排或定向,改變結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的分子鏈形態(tài),從而改變基體的結(jié)晶度、玻璃化轉(zhuǎn)變過程.另外,研究表明,界面區(qū)是一個(gè)分子鏈運(yùn)動(dòng)受束縛、有較強(qiáng)化學(xué)鍵合的過渡區(qū),這會(huì)導(dǎo)致基體自由體積發(fā)生變化,分子鏈與納米粒子表面形成較強(qiáng)的勢壘層,以及界面區(qū)雙電層分布.圖6(b)是聚合物基絕緣介質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)模型和陷阱分布特性.研究表明,深淺陷阱分布影響載流子入陷/脫陷,進(jìn)而改變聚合物基體材料的電荷輸運(yùn)過程.深陷阱位于能級結(jié)構(gòu)中費(fèi)米能級附近,載流子在深陷阱入陷概率小,出陷概率小,影響載流子在電場下參與電導(dǎo)的數(shù)目和平均自由行程,減小了導(dǎo)電載流子在電場中加速,積累能量,增大了擊穿場強(qiáng).納米粒子引入的界面區(qū)效應(yīng)導(dǎo)致體系深陷阱深度或密度增加,或引入了新的深陷阱,改善了擊穿特性[73].淺陷阱分布在導(dǎo)帶和價(jià)帶邊緣,入陷的載流子容易脫陷,參與電荷輸運(yùn)過程,促進(jìn)了擊穿的發(fā)生.圖6 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)納米復(fù)合電介質(zhì)界面區(qū)及對能級結(jié)構(gòu)和陷阱的影響[73].(a)納米粒子對聚合物基結(jié)構(gòu)的影響和界面區(qū)模型;(b)能級結(jié)構(gòu)和陷阱

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]關(guān)于工程電介質(zhì)中幾個(gè)經(jīng)常涉及的問題與思考[J]. 雷清泉,李盛濤.  高電壓技術(shù). 2015(08)
[2]聚烯烴化合物電老化中的電子動(dòng)力學(xué)機(jī)理[J]. 屠德民,王新生.  西安交通大學(xué)學(xué)報(bào). 1993(02)



本文編號：3132093