环保型高压直流电缆绝缘材料研究进展

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文献[14]研究比较了 PP、 PP/PEC 共混物和聚丙烯/乙烯–辛烯共聚物( PP/EOC)共混物的空间电荷注入情况,发现 PP/EOC 样品中,由于 EOC 是有效的成核剂,从而减小了 PP 中的球晶尺寸,增加了球晶之间的界面,使得 PP/EOC 中球晶界面处的浅陷阱增加,因此其空间电荷要明显少于 PP 或PP/PEC。图 1 是 PP/PEC 共混物和 PP/EOC 共混物的透射电子显微镜照片。

1.3 热塑性聚烯烃纳米复合材料

近年来,随着纳米电介质的发展,在聚合物电介质中引入纳米颗粒提高材料的电气性能已经成为一种流行的改性方法,并且已经取得了显著的成效。

特别是许多研究者已经在聚乙烯纳米复合材料方面进行了大量的实验研究。

T. Takada 等人研究了纳米 MgO 掺杂 LDPE 的空间电荷积聚特性,发现高场强下纯 LDPE 首先在阳极产生电荷包,并迅速向阴极转移,最终在阴极会注入大量的负极性电荷,且空间电荷积聚随着温度升高会进一步加剧。但 MgO/LDPE 复合材料即使在高温下也不存在上述电荷包的形成过程,而且同极性电荷注入很少,说明掺入纳米 MgO 颗粒能有效改善 LDPE 中空间电荷的积聚[15]。 Southampton大学的 G. Chen 等发现当 Al2O3 质量分数为 1%时,

Al2O3/LLDPE 复合材料的空间电荷注入要比纯的LLDPE 少,但当 Al2O3 质量分数>5%后,空间电荷的注入情况会变得更加复杂,即纳米颗粒的添加含量存在一个平衡点[16]。国内清华大学、西安交通大学、上海交通大学、同济大学、哈尔滨理工大学、北京科技大学等单位的学者也在 LDPE 纳米复合电介质方面做了大量研究。结果表明:添加 ZnO、SiO2、TiO2 等不同种类的纳米颗粒均可提高 LDPE 的电气性能,如抑制同极性电荷注入和电树生长,增加击穿强度和局部放电电压[17-22]。

相对于聚乙烯纳米复合电介质,聚丙烯纳米复合材料的研究正在逐渐开展。清华大学笔者所在的研究团队在聚丙烯纳米复合材料方面做了大量研究。在前文中 PP/POE 共混物研究的基础上,利用纳米 MgO 颗粒抑制了 PP/POE 共混物中的空间电荷积聚,提高了复合材料的击穿强度和体积电阻率,具有很好的应用前景[23]。进一步研究发现, MgO 纳米颗粒不仅能在常温下抑制空间电荷积聚,还能在温度梯度下抑制空间电荷积聚[24]。另外,该团队也研究了 PP/EPR/ZnO 纳米复合材料的微观结构、热学力学性能及空间电荷行为[25], 纳米 ZnO 的掺入可改善材料在直流高压下的异极性空间电荷积聚情况,但随着 ZnO 含量的增多,有可能引起少量同极性电荷的注入,图 2 给出了 PP/EPR 共混物和PP/EPR/ZnO 纳米复合材料的空间电荷积聚特性。

针对不同纳米颗粒对 iPP 电气性能的影响,研究发现 4 种纳米颗粒均能在一1.3 热塑性聚烯烃纳米复合材料近年来,随着纳米电介质的发展,在聚合物电介质中引入纳米颗粒提高材料的电气性能已经成为一种流行的改性方法,并且已经取得了显著的成效。

特别是许多研究者已经在聚乙烯纳米复合材料方面进行了大量的实验研究。

T. Takada 等人研究了纳米 MgO 掺杂 LDPE 的空间电荷积聚特性,发现高场强下纯 LDPE 首先在阳极产生电荷包,并迅速向阴极转移,最终在阴极会注入大量的负极性电荷,且空间电荷积聚随着温度升高会进一步加剧。但 MgO/LDPE 复合材料即使在高温下也不存在上述电荷包的形成过程,而且同极性电荷注入很少,说明掺入纳米 MgO 颗粒能有效改善 LDPE 中空间电荷的积聚[15]。 Southampton大学的 G. Chen 等发现当 Al2O3 质量分数为 1%时,Al2O3/LLDPE 复合材料的空间电荷注入要比纯的LLDPE 少,但当 Al2O3 质量分数>5%后,空间电荷的注入情况会变得更加复杂,即纳米颗粒的添加含量存在一个平衡点[16]。国内清华大学、西安交通大学、上海交通大学、同济大学、哈尔滨理工大学、北京科技大学等单位的学者也在 LDPE 纳米复合电介质方面做了大量研究。结果表明:添加 ZnO、SiO2、TiO2 等不同种类的纳米颗粒均可提高 LDPE 的电气性能,如抑制同极性电荷注入和电树生长,增加击穿强度和局部放电电压[17-22]。

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