高温高场强下EPDM基电场调控复合材料的非线性电导特性研究

发布时间：2020-06-01 06:44

【摘要】：纵观世界各国对跨区域、高容量和高电压电网建设布局,高压直流和输电技术的应用和发展需求日益增高。考虑到电缆附件是直流电缆系统的重要组成部分,而其中的电场调控材料对电力系统的稳定运行有着至关重要的作用。但是,目前关于温度对电场调控材料非线性电导特性影响的研究仍不完善,且关于非线性电导特性的提高和高温稳定性的解决方案仍限制在使用金属或碳基导电填料。本论文使用电场调控材料最常用的基体材料之一,三元乙丙橡胶(EPDM)作为基体材料,添加应用最广泛的非线性电导填料氧化锌(ZnO)制备了 ZnO/EPDM复合材料,研究了其不同温度下的非线性电导特性;研究了纳米二硫化钨(WS2)的多层片状结构对WS2/EPDM复合材料非线性电导特性的影响,验证了 WS2作为非线性电导填料的可能性。在此基础上,使用离子液体(ILs)与特定含量的ZnO和WS2复合后,制备了 ILs-ZnO/EPDM复合材料和ILs-WS2/EPDM复合材料,并分别研究了 ILs对其非线性电导等相关特性的影响。具体内容如下:(1)通过双辊开炼机制备了 ZnO/EPDM复合材料,研究了温度对其非线性电导特性的影响,以及ZnO含量对其热导率的影响。结果表明ZnO/EPDM复合材料在25 ℃和50 ℃时的非线性电导相对稳定,但ZnO含量较高的60phr-ZnO/EPDM复合材料在80℃时的非线性电导出现降低;ZnO含量大于30phr后,ZnO/EPDM复合材料在25℃时的电导率随电场强度的变化趋势强于50℃时的情况。(2)通过对纳米WS2剥离均化,得到片层大小和厚度相对均一的exfoliated-WS2纳米颗粒,并对剥离均化前后的WS2进行形貌表征和对比分析。比较original-WS2/EPDM复合材料和exfoliated-WS2/EPDM复合材料在25℃时的非线性电导特性,发现WS2的剥离均化对复合材料非线性电导特性有显著影响,并验证了WS2 为非线性电导填料的可能性。进一步具体研究了 exfoliated-WS2/EPDM复合材料在不同温度下的非线性电导特性,以及直流击穿场强和导热特性。结果表明WS2含量大于30phr时WS2/EPDM复合材料才开始表现出比较明显的非线性电导特性,含量为50phr和60phr时WS2/EPDM复合材料在高温时的非线性电导特性有所减弱。(3)根据前文研究结果,将极少量的多壁碳纳米管(MWCNTs)与30phr的WS2组成MWCNTs-WS2混合物并作为填料制备了 MWCNTs-WS2/EPDM复合材料,研究了MWCNTs对其热导率和非线性电导等相关特性的影响。结果表明,适量MWCNTs有助于提高WS2/EPDM复合材料的热导率,并能在一定程度上改善WS2/EPDM复合材料非线性电导的稳定性。(4)根据前文研究结果,使用极少量的ILs分别与30phr的ZnO和WS2混合制备ILs-ZnO/EPDM复合材料和ILs-WS2/EPDM复合材料,通过对其非线性电导等相关特性研究发现,0.75phr-ILs-ZnO/EPDM复合材料和0.50phr-ILs-WS2/EPDM复合材料的非线性电导表现出了最好的温度稳定性。但ILs的添加对热导率并没有明显的改善。(5)根据ILs-ZnO/EPDM复合材料的相关特性研究,选定ILs用量为0.75 phr的0.75-ILs-30phr-ZnO/EPDM复合材料为研究体系,尝试探索其他8种不同ILs对0.75-ILs-30phr-ZnO/EPDM复合材料不同温度下的非线性电导特性的影响差异。结果表明在25℃和50℃时复合材料的电导率随电场强度的变化趋势差异不大,在80℃时差异相对明显。
【图文】：

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位一般为ｋＶ／ｍｍ；邋ａ就是非线性系数（ｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｘｐｏｎｅｎｔ）。材料电导率随电逡逑场强度的非线性变化可以有多种表现形式，比较常见的如电流随电压的非线逡逑性变化，如图２－ｌ（ａ）所示；另一种常见的形式就是直接用电导率随电场强度逡逑的变化，如图２－ｌ（ｂ）所示。通过＾五的关系图，我们能很直观地看到电导率随逡逑电场强度的非线性变化。通过对电导率随电场强度变化的五图中的低电场逡逑强度和进入非线性增大区域的高电场强度时的曲线分别线性拟合，如图２－ｌ（ｂ）逡逑所示，可以得到两个线性函数，两线性函数斜率的比值即为非线性系数《。逡逑对于电场调控材料的分类，可以根据基体材料或填料的不同进行分类，也逡逑可以根据应用领域的不同进行分类，，对于不同应用领域，在本文另有讨论。逡逑根据电场调控复合材料中填料自身电导特性的不同，可将其分为两类：逡逑一类填料是本身不具有非线性电导特性，通常为良导体，这类填料主要是导逡逑电性良好的金属、金属氧化物以及碳基材料。这类材料填充制备的复合材料逡逑具有非线性电导特性的原因是当填料含量接近逾渗阈值时

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图２－２导电填料在复合材料中的逾渗现象示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ邋ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ逡逑对于逾渗理论的模型，添加导电填料的逾渗现象可表述如图２－２。逡逑Ｋｉｒｐａｔｒｉｃｋ等人最早将经典统计理论引入二元混合体系，其观点是将复合材料逡逑看作是三维的有限点阵，而填料则视为在该点阵上的随机分布，那么当填料逡逑的占有概率达到某个值时，整个或大部分点阵形成了有效的阵列联通［２９］。类逡逑似的，Ｚａｌｌｅｎ等人［３Ｑ］用蒙特卡洛统计方法对导电填料在复合材料中的逾渗阈逡逑值进行了讨论，其认为填料形成有效连续网络的几率与两个概率有关，即临逡逑近填料颗粒之间接触的统计平均数Ｇ与每个填料颗粒在复合材料中的最大逡逑允许接触数Ｇ。那么，在逾渗阈值附近，复合材料内部形成有效导电网络的逡逑临界几率Ｐｅ与它们的关系可表述为：逡逑Ｃｐ逦＝邋Ｐｃ－Ｚ逦（２－６）逡逑其中，Ｚ是最大可能的接触数或叫配位数Ｃ邋＝邋Ｆ（０），０是对应的体积分数，逡逑在临界状态有逡逑ＣＰ逦＝邋Ｆ（０Ｃ）逦（２－７）逡逑为计算出临界体积分数０（；
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】