基于等温表面电位衰减法的氧化石墨烯/低密度聚乙烯纳米复合材料陷阱分布特性
发布时间：2021-07-17 08:49
聚合物绝缘材料中空间电荷的注入、输运、积聚和消散过程与材料的陷阱特性密切相关。为研究氧化石墨烯（GO）添加对聚乙烯材料陷阱特性的影响,制备了GO质量分数分别为0.001%、0.005%、0.01%、0.02%、0.05%的氧化石墨烯/低密度聚乙烯（LDPE）纳米复合材料,基于等温表面电位衰减（ISPD）法研究了30℃、50℃和70℃下GO/LDPE纳米复合材料的陷阱分布特性。研究发现:GO/LDPE试样均存在2个陷阱能级中心,随GO质量分数从0增加至0.05%,试样陷阱能级呈现先增大后减小的趋势;当GO质量分数为0.01%时,复合材料的深陷阱能级和密度最大;随着温度的升高,复合材料深陷阱中心所捕获的电荷更易发生脱陷过程,从而导致复合材料视在深陷阱能级增大。分析认为,质量分数为0.01%的GO纳米添加可以增大复合材料深陷阱密度,降低载流子迁移率,从而有效抑制电荷向试样内部的迁移过程。
【文章来源】：高电压技术. 2017,43(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
GO/LDPE纳米复合材料断面微观形貌
李忠磊，韩晨磊，赵伟铭，等：基于等温表面电位衰减法的氧化石墨烯/低密度聚乙烯纳米复合材料陷阱分布特性3585试样表面电位衰减特性曲线。实验测试系统如图2所示，电晕充电电极采用针–栅–板电极，栅电极距针尖和试样表面距离均为5mm。针电极电压8kV，栅极电压6kV，电晕时间10min。电晕结束后，将试样快速移动至表面电位计探头下方，探头下表面距试样上表面距离为3mm，测量并记录试样表面电位衰减曲线。实验电极装置与电位计测量探头均置于恒温箱中，箱中温度分别设定为30、50和70C，相对湿度保持25%。1.3基于ISPD的陷阱分布特性理论推导电荷的输运与消散过程与电荷的入陷脱陷过程密切相关。对于ISPD法，针电极电晕产生的带电离子会在外施电场作用下向试样表面迁移并达到试样表面，然后被试样表层陷阱所捕获，形成表面电荷积聚。一般认为，表面电荷通过3种途径消散：一是与空气中的带电离子发生中和；二是沿试样表面迁移；三是注入到试样内部并向地电极迁移[20]。本文实验环境相对湿度被控制在约25%，因此忽略空气中带电离子对表面电荷的影响。同时，因栅电极的设置，使得电晕充电后试样表面中心位置各处的表面电位基本相同，试样表面切向方向的感应电场几乎为0，故电荷难以沿试样表面向地电极迁移。试样表面电位与地电极之间形成感应电场，使得电荷受到一个指向地电极方向的库仑力作用，导致陷阱中的电荷发生脱陷并向试样内部迁移。基于Simmons和Tam提出的理论，假设表面电位衰减过程中电荷脱陷后不再发生入陷过程，并忽略空穴与电子的复合行为。空穴被激发到价带所形成的电流密度J可表示为[21]()FnV0tn1()()()ed2EetEqLJfENEeEE=∫(1)式中：q为空穴电荷量；L为试样的厚度；E为能级；E
=EE=kTln(υt)(8)基于ISPD法测量得到GO/LDPE的表面电位衰减特性，并对表面电位衰减曲线进行拟合得到Vs(t)函数表达式，利用式(7)、(8)即可得到试样的陷阱能级分布特性。实验表明，采用双指数函数可以很好地对不同温度下各组试样的ISPD曲线进行拟合，双指数函数表达式为12//s12()eettVtAAττ=+(9)式中：A1、A2和τ1、τ2均为拟合参数。利用式(7)和(8)对A1e–t/τ1和A2e–t/τ22部分对应的陷阱能级分布进行计算，分别得到2个陷阱中心对应的能级分布特性，见图3。同时，分别计算深、浅陷阱能级分布的面积即得到2个陷阱中心的密度。2实验结果与分析2.1体积电阻率测试采用三电极法测量GO/LDPE复合积电阻率。图4为高阻计记录的GO/LDPE复合材料电流密度随极化时间的变化曲线。在极化的开始阶段，测量的电流密度包括电容电流和电导电流；随着测量时间的增加，电容电流分量逐渐减小，导致测量得到的电流不断减小并逐渐趋近于试样电导电流。随着GO质量分数从0增加至0.01%时，电导电流密度逐渐降低；而从0.01%增加到0.05%时，电流密度又明显增大；当GO质量分数为0.01%时，复合材料的电导电流密度最校对测量过程中电流密度的最后50个采样点求平均值作为各组试样的直流电导电流密度，并计算得到GO/LDPE复合材料直流电阻率，见表1。由表1可见，随着GO质量分数从0至0.05%增大，复合材料试样体积电阻率呈先增大后减小的趋势。当GO质量分数为0.01%时，复合材料体积电阻率最大，与纯LDPE试样相比提高约15倍。而当GO质量分数从0.01%增加到0.05%时，GO/LDPE复合材料的体积电阻率又明显下降。2.2GO质量分数对复合材料陷阱分布特性的影响图5为实验温度70C时，不同GO质量分数的LDPE
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]硅橡胶/SiC复合材料非线性电阻及电荷输运特性[J]. 杨卓然,李忠磊,李进,杜伯学. 中国电机工程学报. 2016(24)
[3]采用等温表面电位衰减法表征LDPE与HDPE内陷阱的分布特性[J]. 刘孟佳,周福升,陈铮铮,李建英,闵道敏,李盛涛,李茜,夏荣. 中国电机工程学报. 2016(01)
[4]中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳:从160kV到200kV再到320kV[J]. 谢书鸿,傅明利,尹毅,薛建凌,胡明. 南方电网技术. 2015(10)
[5]基于等温表面电位衰减法的直流电缆用低密度聚乙烯和交联聚乙烯陷阱电荷分布特性[J]. 欧阳本红,赵健康,周福升,李建英,闵道敏,刘孟佳. 高电压技术. 2015(08)
[6]挤压型高压直流电缆研究进展及关键技术述评[J]. 何金良,党斌,周垚,胡军. 高电压技术. 2015(05)
[7]纳米颗粒填充浓度和表面处理对纳米MgO/PP空间电荷行为的影响[J]. 操卫康,李喆,龚瑾,盛戈皞,江秀臣. 高电压技术. 2015(05)
[8]交、直流电场作用下交联聚乙烯中的空间电荷习性（英文）[J]. C.Zhou,G.Chen. 高电压技术. 2015(04)
[9]直流电缆料工作温度和击穿特性的纳米改性研究[J]. 陈铮铮,赵健康,欧阳本红,张东菲,李建英,王诗航. 高电压技术. 2015(04)
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
本文编号：3287849
【文章来源】：高电压技术. 2017,43(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
GO/LDPE纳米复合材料断面微观形貌
李忠磊，韩晨磊，赵伟铭，等：基于等温表面电位衰减法的氧化石墨烯/低密度聚乙烯纳米复合材料陷阱分布特性3585试样表面电位衰减特性曲线。实验测试系统如图2所示，电晕充电电极采用针–栅–板电极，栅电极距针尖和试样表面距离均为5mm。针电极电压8kV，栅极电压6kV，电晕时间10min。电晕结束后，将试样快速移动至表面电位计探头下方，探头下表面距试样上表面距离为3mm，测量并记录试样表面电位衰减曲线。实验电极装置与电位计测量探头均置于恒温箱中，箱中温度分别设定为30、50和70C，相对湿度保持25%。1.3基于ISPD的陷阱分布特性理论推导电荷的输运与消散过程与电荷的入陷脱陷过程密切相关。对于ISPD法，针电极电晕产生的带电离子会在外施电场作用下向试样表面迁移并达到试样表面，然后被试样表层陷阱所捕获，形成表面电荷积聚。一般认为，表面电荷通过3种途径消散：一是与空气中的带电离子发生中和；二是沿试样表面迁移；三是注入到试样内部并向地电极迁移[20]。本文实验环境相对湿度被控制在约25%，因此忽略空气中带电离子对表面电荷的影响。同时，因栅电极的设置，使得电晕充电后试样表面中心位置各处的表面电位基本相同，试样表面切向方向的感应电场几乎为0，故电荷难以沿试样表面向地电极迁移。试样表面电位与地电极之间形成感应电场，使得电荷受到一个指向地电极方向的库仑力作用，导致陷阱中的电荷发生脱陷并向试样内部迁移。基于Simmons和Tam提出的理论，假设表面电位衰减过程中电荷脱陷后不再发生入陷过程，并忽略空穴与电子的复合行为。空穴被激发到价带所形成的电流密度J可表示为[21]()FnV0tn1()()()ed2EetEqLJfENEeEE=∫(1)式中：q为空穴电荷量；L为试样的厚度；E为能级；E
=EE=kTln(υt)(8)基于ISPD法测量得到GO/LDPE的表面电位衰减特性，并对表面电位衰减曲线进行拟合得到Vs(t)函数表达式，利用式(7)、(8)即可得到试样的陷阱能级分布特性。实验表明，采用双指数函数可以很好地对不同温度下各组试样的ISPD曲线进行拟合，双指数函数表达式为12//s12()eettVtAAττ=+(9)式中：A1、A2和τ1、τ2均为拟合参数。利用式(7)和(8)对A1e–t/τ1和A2e–t/τ22部分对应的陷阱能级分布进行计算，分别得到2个陷阱中心对应的能级分布特性，见图3。同时，分别计算深、浅陷阱能级分布的面积即得到2个陷阱中心的密度。2实验结果与分析2.1体积电阻率测试采用三电极法测量GO/LDPE复合积电阻率。图4为高阻计记录的GO/LDPE复合材料电流密度随极化时间的变化曲线。在极化的开始阶段，测量的电流密度包括电容电流和电导电流；随着测量时间的增加，电容电流分量逐渐减小，导致测量得到的电流不断减小并逐渐趋近于试样电导电流。随着GO质量分数从0增加至0.01%时，电导电流密度逐渐降低；而从0.01%增加到0.05%时，电流密度又明显增大；当GO质量分数为0.01%时，复合材料的电导电流密度最校对测量过程中电流密度的最后50个采样点求平均值作为各组试样的直流电导电流密度，并计算得到GO/LDPE复合材料直流电阻率，见表1。由表1可见，随着GO质量分数从0至0.05%增大，复合材料试样体积电阻率呈先增大后减小的趋势。当GO质量分数为0.01%时，复合材料体积电阻率最大，与纯LDPE试样相比提高约15倍。而当GO质量分数从0.01%增加到0.05%时，GO/LDPE复合材料的体积电阻率又明显下降。2.2GO质量分数对复合材料陷阱分布特性的影响图5为实验温度70C时，不同GO质量分数的LDPE
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]硅橡胶/SiC复合材料非线性电阻及电荷输运特性[J]. 杨卓然,李忠磊,李进,杜伯学. 中国电机工程学报. 2016(24)
[3]采用等温表面电位衰减法表征LDPE与HDPE内陷阱的分布特性[J]. 刘孟佳,周福升,陈铮铮,李建英,闵道敏,李盛涛,李茜,夏荣. 中国电机工程学报. 2016(01)
[4]中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳:从160kV到200kV再到320kV[J]. 谢书鸿,傅明利,尹毅,薛建凌,胡明. 南方电网技术. 2015(10)
[5]基于等温表面电位衰减法的直流电缆用低密度聚乙烯和交联聚乙烯陷阱电荷分布特性[J]. 欧阳本红,赵健康,周福升,李建英,闵道敏,刘孟佳. 高电压技术. 2015(08)
[6]挤压型高压直流电缆研究进展及关键技术述评[J]. 何金良,党斌,周垚,胡军. 高电压技术. 2015(05)
[7]纳米颗粒填充浓度和表面处理对纳米MgO/PP空间电荷行为的影响[J]. 操卫康,李喆,龚瑾,盛戈皞,江秀臣. 高电压技术. 2015(05)
[8]交、直流电场作用下交联聚乙烯中的空间电荷习性（英文）[J]. C.Zhou,G.Chen. 高电压技术. 2015(04)
[9]直流电缆料工作温度和击穿特性的纳米改性研究[J]. 陈铮铮,赵健康,欧阳本红,张东菲,李建英,王诗航. 高电压技术. 2015(04)
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
本文编号：3287849
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