高导热BN/LDPE纳米复合薄膜电性能研究
发布时间：2021-06-07 08:33
电缆在持续工作中会产生热量,聚乙烯材料的热导率较低,热量较难消散,致使热老化成为影响绝缘材料的使用寿命和安全性能的关键问题。其次,在高压直流输电过程中,空间电荷的积累会导致局部电场发生严重畸变,从而严重影响到的绝缘材料的老化和击穿性能。因此,制备具有高导热率且电学性能优异的聚乙烯基复合材料并对其影响机理进行研究将为聚乙烯用作高压直流输电电缆材料提供参考。对此,本文着重研究了BN/LDPE纳米复合材料的导热性能及电学性能,同时以空间电荷特性作为切入点,深入探讨了不同掺杂浓度对BN/LDPE复合材料电性能的影响机制。通过熔融共混及热压的方式制备了不同掺杂浓度的BN/LDPE纳米复合薄膜。采用扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）表征了薄膜的纳米颗粒分散情况、断面微观形貌及结构成分,确认了纳米复合材料掺杂效果。研究结果显示,通过控制实验过程中热压的温度以及加压的时间,可以制备出分散均匀的纳米BN/LDPE复合薄膜。利用电声脉冲法对不同比例掺杂的BN/LDPE复合薄膜在40 k V/mm的场强下加压以及短路过程中的空间电荷分布的进行表征。实验结果表明,氮化硼掺杂后有效抑制了空间电荷的...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米复合材料中的多壳模型
哈尔滨理工大学工程硕士学位论文8(a)介电双层及其电位分布(b)介电双层形成导电通道图1-2纳米电介质介电双层模型Fig.1-2Thedielectricbilayermodelofnanodielectric图中A指代纳米复合介质中的纳米填料，B指代聚合物基体，AB为他们之间的界面区域。当处于高压作用下，聚合物基体中可自由迁移的电荷和被电离的电荷两者构成了扩散电荷双电层。当掺杂物浓度增加时，载流子浓度增大，电场作用下其迁移速率也随之增加，介电双层开始出现重叠，在基体内形成一个导电通道。介电双层模型对纳米复合电介质的空间电荷行为、体积电阻率和击穿电压等特性做出了理论上的解释。3.水壳模型此模型针对纳米电介质在潮湿环境下的介电弛豫现象做出了详尽解释[33]。有学者发现掺杂纳米填料的形状轮廓和粒径尺寸影响纳米电介质的吸潮性能，进而影响介电性能[34]。在干燥情况下，水壳太薄将不会使其发生重叠，结构如图1-3(a)所示。若处于潮湿环境下，无机纳米颗粒的表面具有亲水性，逐渐吸收环境中的水分在外表面形成一层“水壳”，如图1-3(b)所示。当纳米颗粒的掺杂浓度达到较高比例时，“水壳”区域将有可能发生重叠，形成导电通道，增大了复合介质的介电常数以及介电损耗，降低了复合介质的绝缘强度。
哈尔滨理工大学工程硕士学位论文152.3结构表征2.3.1电子扫描显微镜扫描电镜（SEM）为SU8020型冷场发射扫描电子显微镜，1kV电压下，电镜的分辨率为1.3nm。本实验选用的测试样品为纳米氮化硼掺杂浓度1%的未经表面处理试样以及加入了相容剂表面处理后的薄膜试样。测试前，薄膜需要先在液氮中急速冷区、进行淬断，再用扫描电镜进行观测。图2-1a)BN/LDPE复合薄膜与b)加入相容剂BN/LDPE复合薄膜的SEM图Fig.2-1SEMimagesofthea)BN/LDPEcompositesandb)BN/LDPEcompositeswithcompatibilizer图2-1a)和b)分别为BN/LDPE复合薄膜与加入相容剂的BN/LDPE复合薄膜的断面形貌图。2-1a）所示为未经表面处理的纳米氮化硼颗粒掺杂浓度为1%时的断面形貌。可以看出，BN颗粒分布并不均匀，在低密度聚乙烯中存在团簇现象。图中比较明亮的区域是分散在聚乙烯中的氮化硼粒子，而暗的区域则表示连续相中的低密度聚乙烯基体。聚集在一起形成了尺度在200~400nm左右较大的氮化硼粒子，而且亮暗区域分明。而图2-1b)中，无机相的尺度明显减小，图中可以明显看出氮化硼填料在经相容剂KH550改性的低密度聚乙烯基体中分散比较均匀,相容剂使得纳米氮化硼颗粒与低密度聚乙烯的相容性得到了很大的改善。
【参考文献】：
期刊论文
[1]介电谱用于评估XLPE电缆绝缘劣化状态的研究[J]. 周利军,王媚,周韫捷,蒋晓娟,杨天宇,张媛媛. 绝缘材料. 2019(01)
[2]PE-LLD/Al2O3导热复合材料的制备及性能[J]. 王瑛,郝冬冬,刘婷,李纪鹏,陈以传,赵忠贤,江平开,吴新锋. 工程塑料应用. 2019(01)
[3]纳米SiO2对交联聚乙烯交/直流击穿强度和耐电树枝性能影响[J]. 艾叶,李春阳,赵洪,杨佳明,张城城,韩宝忠. 复合材料学报. 2019(09)
[4]高导热聚合物复合材料结构与性能研究进展[J]. 李寒梅,陈蓼璞,朱维维,黄宁宁,澹会菊,房晓敏,张文凯. 化学研究. 2018(04)
[5]二维材料:潜力无限的材料家族[J]. 付磊. 科学通报. 2017(20)
[6]中国电线电缆出口:突破困境,寻求发展[J]. 黄权恒,宗永建. 对外经贸实务. 2017(07)
[7]高压直流交联聚乙烯电缆应用与研究进展[J]. 杜伯学,李忠磊,杨卓然,李进. 高电压技术. 2017(02)
[8]氮化硼和纳米金刚石混杂填充聚酰亚胺导热复合材料的制备与表征[J]. 杨娜,王农跃,姚艳梅,潘滋涵,瞿雄伟. 高分子材料科学与工程. 2017(01)
[9]新兴二维材料在柔性能源存储和转换中的应用（英文）[J]. 刘津欣,曹慧,江贝,薛迎辉,付磊. Science China Materials. 2016(06)
[10]高导热聚酰亚胺/氮化硼复合材料的制备与表征[J]. 杨曦,姚亚超,张伯涵,苏创,于晓燕. 胶体与聚合物. 2016(01)
博士论文
[1]聚乙烯基无机纳米复合电介质的陷阱特性与电性能研究[D]. 田付强.北京交通大学 2012
[2]高导热绝缘高分子复合材料研究[D]. 周文英.西北工业大学 2007
[3]纳秒光学参量振荡器及其应用技术研究[D]. 万勇.电子科技大学 2006
硕士论文
[1]聚合物基复合材料导热机理的研究及其导热行为的影响因素[D]. 陈荣.华侨大学 2016
本文编号：3216249
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纳米复合材料中的多壳模型
哈尔滨理工大学工程硕士学位论文8(a)介电双层及其电位分布(b)介电双层形成导电通道图1-2纳米电介质介电双层模型Fig.1-2Thedielectricbilayermodelofnanodielectric图中A指代纳米复合介质中的纳米填料，B指代聚合物基体，AB为他们之间的界面区域。当处于高压作用下，聚合物基体中可自由迁移的电荷和被电离的电荷两者构成了扩散电荷双电层。当掺杂物浓度增加时，载流子浓度增大，电场作用下其迁移速率也随之增加，介电双层开始出现重叠，在基体内形成一个导电通道。介电双层模型对纳米复合电介质的空间电荷行为、体积电阻率和击穿电压等特性做出了理论上的解释。3.水壳模型此模型针对纳米电介质在潮湿环境下的介电弛豫现象做出了详尽解释[33]。有学者发现掺杂纳米填料的形状轮廓和粒径尺寸影响纳米电介质的吸潮性能，进而影响介电性能[34]。在干燥情况下，水壳太薄将不会使其发生重叠，结构如图1-3(a)所示。若处于潮湿环境下，无机纳米颗粒的表面具有亲水性，逐渐吸收环境中的水分在外表面形成一层“水壳”，如图1-3(b)所示。当纳米颗粒的掺杂浓度达到较高比例时，“水壳”区域将有可能发生重叠，形成导电通道，增大了复合介质的介电常数以及介电损耗，降低了复合介质的绝缘强度。
哈尔滨理工大学工程硕士学位论文152.3结构表征2.3.1电子扫描显微镜扫描电镜（SEM）为SU8020型冷场发射扫描电子显微镜，1kV电压下，电镜的分辨率为1.3nm。本实验选用的测试样品为纳米氮化硼掺杂浓度1%的未经表面处理试样以及加入了相容剂表面处理后的薄膜试样。测试前，薄膜需要先在液氮中急速冷区、进行淬断，再用扫描电镜进行观测。图2-1a)BN/LDPE复合薄膜与b)加入相容剂BN/LDPE复合薄膜的SEM图Fig.2-1SEMimagesofthea)BN/LDPEcompositesandb)BN/LDPEcompositeswithcompatibilizer图2-1a)和b)分别为BN/LDPE复合薄膜与加入相容剂的BN/LDPE复合薄膜的断面形貌图。2-1a）所示为未经表面处理的纳米氮化硼颗粒掺杂浓度为1%时的断面形貌。可以看出，BN颗粒分布并不均匀，在低密度聚乙烯中存在团簇现象。图中比较明亮的区域是分散在聚乙烯中的氮化硼粒子，而暗的区域则表示连续相中的低密度聚乙烯基体。聚集在一起形成了尺度在200~400nm左右较大的氮化硼粒子，而且亮暗区域分明。而图2-1b)中，无机相的尺度明显减小，图中可以明显看出氮化硼填料在经相容剂KH550改性的低密度聚乙烯基体中分散比较均匀,相容剂使得纳米氮化硼颗粒与低密度聚乙烯的相容性得到了很大的改善。
【参考文献】：
期刊论文
[1]介电谱用于评估XLPE电缆绝缘劣化状态的研究[J]. 周利军,王媚,周韫捷,蒋晓娟,杨天宇,张媛媛. 绝缘材料. 2019(01)
[2]PE-LLD/Al2O3导热复合材料的制备及性能[J]. 王瑛,郝冬冬,刘婷,李纪鹏,陈以传,赵忠贤,江平开,吴新锋. 工程塑料应用. 2019(01)
[3]纳米SiO2对交联聚乙烯交/直流击穿强度和耐电树枝性能影响[J]. 艾叶,李春阳,赵洪,杨佳明,张城城,韩宝忠. 复合材料学报. 2019(09)
[4]高导热聚合物复合材料结构与性能研究进展[J]. 李寒梅,陈蓼璞,朱维维,黄宁宁,澹会菊,房晓敏,张文凯. 化学研究. 2018(04)
[5]二维材料:潜力无限的材料家族[J]. 付磊. 科学通报. 2017(20)
[6]中国电线电缆出口:突破困境,寻求发展[J]. 黄权恒,宗永建. 对外经贸实务. 2017(07)
[7]高压直流交联聚乙烯电缆应用与研究进展[J]. 杜伯学,李忠磊,杨卓然,李进. 高电压技术. 2017(02)
[8]氮化硼和纳米金刚石混杂填充聚酰亚胺导热复合材料的制备与表征[J]. 杨娜,王农跃,姚艳梅,潘滋涵,瞿雄伟. 高分子材料科学与工程. 2017(01)
[9]新兴二维材料在柔性能源存储和转换中的应用（英文）[J]. 刘津欣,曹慧,江贝,薛迎辉,付磊. Science China Materials. 2016(06)
[10]高导热聚酰亚胺/氮化硼复合材料的制备与表征[J]. 杨曦,姚亚超,张伯涵,苏创,于晓燕. 胶体与聚合物. 2016(01)
博士论文
[1]聚乙烯基无机纳米复合电介质的陷阱特性与电性能研究[D]. 田付强.北京交通大学 2012
[2]高导热绝缘高分子复合材料研究[D]. 周文英.西北工业大学 2007
[3]纳秒光学参量振荡器及其应用技术研究[D]. 万勇.电子科技大学 2006
硕士论文
[1]聚合物基复合材料导热机理的研究及其导热行为的影响因素[D]. 陈荣.华侨大学 2016
本文编号：3216249
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