耐電暈聚酰亞胺-無機(jī)納米復(fù)合薄膜的制備與電性能研究.pdf

1、聚合物基納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能,在電氣工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,研究納米粒子對(duì)聚合物介電性能的影響是實(shí)現(xiàn)這些新型材料應(yīng)用的前提條件。納米電介質(zhì)材料是電工學(xué)科發(fā)展的基石,在對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí),改善其綜合電性能成為問題的關(guān)鍵。
　　 隨著電力電子系統(tǒng)向著高頻化、小型化、集成化方向發(fā)展,變頻技術(shù)以其節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。目前多是利用國(guó)外的產(chǎn)品,不僅價(jià)格昂貴,還受到技術(shù)上的制約,因此,對(duì)變頻電機(jī)用絕緣材料的開發(fā)

2、與應(yīng)用領(lǐng)域提出了更高的要求,急需一種新型的耐高溫聚合物絕緣材料來改善電機(jī)的絕緣性能,尤其是提高電磁線的耐電暈性能和耐溫等級(jí)。聚酰亞胺(Polyimide,PI)是一種綜合性能優(yōu)異的工程材料,因其具有高熱穩(wěn)定性、優(yōu)良力學(xué)性能、低介電常數(shù)以及優(yōu)異的絕緣性能,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、電器及微電子領(lǐng)域。
　　 本論文以結(jié)構(gòu)——性能為主線,基于無機(jī)材料的高耐電暈性和PI材料的高耐熱和絕緣特性,提出利用納米技術(shù)及合適的工藝制備無機(jī)-有機(jī)耐電

3、暈納米復(fù)合材料,征對(duì)電場(chǎng)下材料破壞機(jī)理及其性能的提高開展研究。通過對(duì)電場(chǎng)下材料中空間電荷和表面電荷的產(chǎn)生、移動(dòng)、積累及其對(duì)電介質(zhì)材料中電場(chǎng)分布影響規(guī)律的研究,掌握影響納米復(fù)合電介質(zhì)的空間電荷產(chǎn)生和分布的主要因素,得到電介質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下的電暈老化機(jī)理,通過對(duì)納米復(fù)合材料的介電性能和微觀結(jié)構(gòu)綜合調(diào)控研究耐電暈材料及其絕緣結(jié)構(gòu),主要工作如下:
　　 首先,在制備工藝的研究中,分別采用了溶液共混法、原位聚合法制備了分散狀態(tài)各異的納米

4、復(fù)合薄膜。通過微觀結(jié)構(gòu)的性能表征發(fā)現(xiàn),采用原位聚合法可以獲得無機(jī)納米顆粒分散均一、穩(wěn)定、性能優(yōu)異的復(fù)合薄膜。
　　 基于電介質(zhì)的基本特性參數(shù),對(duì)復(fù)合薄膜的介電性能進(jìn)行了綜合研究,包括:頻率、溫度和納米TiO2粒子含量對(duì)復(fù)合薄膜的介電常數(shù)、介電馳豫、直流電場(chǎng)下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響。純PI膜的介電常數(shù)(ε)約為3.2。然而隨著納米粒子含量的增加,復(fù)合膜的介電常數(shù)都有不同程度的增加,但隨頻率的變化不大。同時(shí),介電損耗也隨填料含量的增加而有

5、所增加。結(jié)果表明,復(fù)合薄膜中存在界面極化過程,即Maxwell-Wagner-Sillars極化。溫譜(-50℃～150℃)介電常數(shù)的變化歸因于聚合物從分子的振動(dòng)、移動(dòng)到宏觀的熱膨脹。當(dāng)納米TiO2粒子含量很高時(shí),介電常數(shù)、損耗譜圖同時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)寬峰。介電馳豫峰向低溫轉(zhuǎn)變以及損耗隨著頻率的升高而降低表明界面極化的相互作用?？紤]到低頻下介電常數(shù)的微小變化,引入電模研究了復(fù)合薄膜的介電馳豫效應(yīng),發(fā)現(xiàn)介電馳豫峰遵循時(shí)間分布的Cole-Davi

6、dson模型。本文還考察了不同納米粒子含量下的復(fù)合薄膜在電暈老化前、后的擊穿場(chǎng)強(qiáng)變化。電暈老化前,純PI薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯高于摻雜后的復(fù)合薄膜,且隨著填料含量的增加擊穿場(chǎng)強(qiáng)都呈下降的趨勢(shì)。隨著老化時(shí)間的增加納米復(fù)合膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)都會(huì)有不同程度的下降。然而不同的是,經(jīng)過20 h的老化后,純PI薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)由210MV·m-1下降到130 MV·m-1,而含量為25 wt.％的復(fù)合薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)由110 MV·m-1下降到100 MV·m-

7、1,但仍滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
　　 本文研究了納米TiO2粒子含量、老化時(shí)間對(duì)復(fù)合薄膜的介電性能的影響。結(jié)果表明,復(fù)合薄膜的耐電暈特性隨著納米TiO2粒子含量的增加而增強(qiáng),且與復(fù)合薄膜的介電常數(shù)相關(guān),建立了耐電暈?zāi)Ｐ?通過分析電場(chǎng)畸變、基于Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)的電子運(yùn)動(dòng)等探討了復(fù)合薄膜的耐電暈機(jī)理。
　　 利用電聲脈沖法(Pulsed Electroacoustic Method,PEA)測(cè)量技術(shù)對(duì)復(fù)合薄膜的空間電

8、荷特性進(jìn)行對(duì)比分析,主要結(jié)論如下:①純PI薄膜中出現(xiàn)了雙偶極注入現(xiàn)象,注入電荷量隨著外加電壓的升高而增加,納米TiO2摻雜的納米復(fù)合薄膜的空間電荷特性與純PI薄膜明顯不同。異號(hào)電荷的出現(xiàn)表明離子化的產(chǎn)生；②納米TiO2粒子的引入可能阻礙了電荷的注入,因?yàn)榭臻g電荷動(dòng)力學(xué)直接與電性能有關(guān),因而可以預(yù)測(cè)PI基納米復(fù)合材料的電性能明顯不同于純PI膜。
　　 通過電暈充電裝置對(duì)單、雙層納米復(fù)合薄膜的表面電荷衰減(Surface poten