低密度聚乙烯納米復合介質中電荷輸運的實驗研究和數(shù)值模擬.pdf

1、聚合物介質材料是高電壓工程、電力電子、微電子器件中常用的絕緣材料，然而在設備小型化和集成化的應用過程中也存在一些突出問題，如直流電場下的空間電荷的積累。當空間電荷在聚合物內(nèi)部積累時，局部電場的提高、材料的解離和電-機械應力的積累，都可能加速聚合物絕緣的老化。納米技術的出現(xiàn)，為解決聚合物內(nèi)部空間電荷積累等問題提供了較經(jīng)濟的技術解決方案。目前，通過聚合物納米復合介質微觀結構和介電性能之間內(nèi)在聯(lián)系的理論研究，已經(jīng)有很多學者提出了相關的理論，并

2、建立了相關的模型。然而這些模型并不能完全解釋所有復合介質的實驗結果，特別是納米顆粒如何影響復合介質內(nèi)部電荷輸運的問題，因此，有必要對納米復合介質做進一步的實驗和理論研究。
　　 本文采用機械共混法制備了低密度聚乙烯（low-density polyethylene，LDPE）和經(jīng)疏水性表面處理劑處理過的納米二氧化硅(silica)顆粒與LDPE的復合介質，測試了納米顆粒填充濃度在0～5.0wt％范圍、納米顆粒粒徑分別為7nm和1

3、6nm的復合介質中空間電荷、極化和退極化電流、準穩(wěn)態(tài)直流電導，評估了納米顆粒填充后LDPE/silica復合介質內(nèi)部陷阱深度、密度的變化，探討了納米顆粒對復合介質內(nèi)部電荷輸運的影響，最后在此實驗研究的基礎上對純LDPE和LDPE/silica納米復合介質中空間電荷建立的動力學過程進行了數(shù)值模擬研究。
　　 由空間電荷短路去極化特性和直流電導特性可知:納米復合介質中空間電荷明顯積累的閾值電場和直流電導的閾值電場EΩ-t基本一致，并

4、且納米顆粒對復合介質空間電荷積累和直流電導的影響僅在電場較高時才表現(xiàn)出來，低電場下的影響并不明顯。在高電場下，純LDPE內(nèi)部在陽、陰電極附近都出現(xiàn)明顯的異極性空間電荷積累，引入納米顆粒后空間電荷積累發(fā)生變化:(1)顆粒填充濃度較低時，復合介質中異極性空間電荷積累量明顯下降，而高場電導明顯增大，并且空間電荷積累量和高場電導分別達到本文納米顆粒濃度研究范圍內(nèi)的最小值和最大值;(2)顆粒填充濃度較高時，隨顆粒填充濃度增大，復合介質內(nèi)部積累的空

5、間電荷極性從異極性轉變?yōu)橥瑯O性，并且空間電荷積累量先升高后下降，但復合介質的高場電導隨顆粒填充濃度逐漸下降。
　　 由電流去極化0.1～3600s的等溫松弛特性評估出的純LDPE內(nèi)部陷阱深度約在0.71～0.98eV范圍，且在此深度范圍內(nèi)存在三個明顯的陷阱能級分布，表明0.1～3600s的去極化電流主要是由三類不同的深陷阱電荷釋放形成。由空間電荷去極化2～3600s特性評估出的陷阱深度約在0.9～1.06eV，基本在等溫松弛法評

6、估出的范圍內(nèi)。填充納米顆粒后，深度在0.71～0.98eV范圍的深陷阱相對應的能級分布幅值和表征此范圍深陷阱量的ε"都明顯下降，而且填充粒徑7nm時的下降幅度比填充粒徑16nm時的大，表明納米顆粒的引入抑制了此深度范圍內(nèi)的深陷阱形成，且粒徑越小抑制能力越強。納米復合介質中，表征總陷阱濃度H的閾值電場Et-c隨填充濃度的升高而升高，但在低填充濃度（1.0wt％附近）時小于純LDPE的值，僅當填充濃度較高時才大于純LDPE的值。
　　

7、 為對純LDPE和LDPE/silica納米復合介質中空間電荷建立過程的動力學行為進行數(shù)值模擬研究，本文對載流子輸運模型和數(shù)值算法進行了研究:(1)為描述雜質離子對聚合物內(nèi)部空間電荷的影響，本文對模擬空間電荷響應的載流子輸運模型進行了改進，在雙極性載流子輸運模型（Bipolar Charge Transport Model）基礎上，引入了雜質離子輸運模型;(2)為解決傳統(tǒng)連續(xù)方程數(shù)值算法存在的振蕩、負值和發(fā)散等影響模擬結果精度的問題，

8、本文提出了基于Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)條件的載流子密度變化合理區(qū)算法對數(shù)值模擬的結果進行簡化修正。最后，基于雙極性載流子和離子解離輸運模型和數(shù)值算法，本文開發(fā)了圖形化顯示的數(shù)值模擬軟件，實現(xiàn)了極化和去極化過程中聚合物內(nèi)部載流子輸運的數(shù)值模擬和觀察。
　　 空間電荷的模擬和實驗結果對比表明，單獨的雙極性載流子輸運模型和雜質離子輸運模型由于載流子源的局限性，使其僅能對同極性空間電荷積累和異極性空間電荷

9、積累進行模擬，無法對納米復合介質表面?zhèn)确e累的空間電荷隨填充濃度的極性變化，即從異極性空間電荷積累轉變?yōu)橥瑯O性空間電荷積累的變化趨勢進行模擬。本文在雙極性載流子輸運模型的基礎上引入了雜質離子輸運模型，模擬和實驗結果對比表明，結合雙極性載流子輸運模型和雜質離子輸運模型后，可對純LDPE介質內(nèi)部空間電荷的異極性積累、空間電荷積累的閾值電場特性都能進行很好的模擬，對納米復合介質內(nèi)空間電荷在去極化過程中的極性變化和空間電荷閾值電場特性亦能很好的模