基于微-纳米协同效应的聚合物/无机微-纳米复合物介观形态与空间电荷抑制机理研究

The meso-morphlogies of polymer/inorganic micro-nano particles composites is one of the most impotant fators to influence the macro-dielectric properties of the composites. The meso-morphologies formed are not only dependent on the characteristic,size and shape of inorganic miro-particle, nano-paticle and polymer matrix, but also closely raleted to compounding process, the kinds of compatilizer and preparation method of specimen. If combining state of interfaces between polymer and inorganic micro-particles, nano-particles could be improved, and meso-morpholoies could be further dominated, then the quasi-uniform morphology with inorganic micro-nano particles disperse phase in net style can be formed in polymer matrix. The distribution of electrical stress will be improved by the size effect of nano particulates, and the energetic particles caused by partial discharge will be absorbed and scattered by the interface effect of inorganic micro-nano particulates. The accumulation of space charge and spread of electrical tree will be inhibited. New method and approach improving dielectric properties in long term and prolonging service life are searched out. Tne effect of space charge controlled by various traps in micro-nano composites can be revealed by measurement of space charge distribution, thermally stimulated current, poton stimulated discharge etc., and dynamic mechanics analyzer and atomic force microscopy etc. are as other supporting means. The relation between meso-morphlogies of polymer/inorganic micro-nano particles composities and the dielectric properties will be found.

聚合物/无机微-纳米复合物的介观形态是影响复合材料宏观介电性能最重要的因素之一。介观形态的形成不仅取决于无机微米、纳米填料、基体树脂自身的性质、尺度和形状等因素，而且与复合工艺、相容剂的种类及试样制备方法等密切相关。如果通过微-纳米复合技术能够调控聚合物与无机微-纳米微粒的界面结合状态，进而调控复合材料的微域构象（介观形态），使无机微-纳米相在聚合物基体内既能形成网状分布的准均相结构，通过纳米尺度效应改善复合材料体内的场强分布，又能通过无机微-纳米的界面效应吸收和消耗放电产生的高能粒子的能量，从根本上抑制空间电荷的积聚和电树的生长，从而为提高绝缘的长期介电性能和使用寿命，找到新的方法和途径。借助于空间电荷分布、热激电流、光激电流等测量技术，可以从不同角度揭示微-纳米复合物中陷阱类型对空间电荷的调制作用。配合动态力学、AFM等微观分析手段，建立微-纳米复合物微域构象与介电性能之间的关系。

本项目的研究目的是探索无机微、纳米颗粒的尺度、形状协同效应对聚合物基复合材料微域结构及介电性能的影响，获得调控聚合物基微纳米复合材料微域结构的方法，达到抑制空间电荷、提高耐局部放电和电树枝生长的目的。取得的研究进展如下：（1）在聚乙烯中引入微、纳米SiO2颗粒后，纳米SiO2具有晶核剂的作用，使复合材料的晶粒尺寸减小而结晶度提高；而微米SiO2则有助于阻止纳米颗粒的团聚。通过调节微纳米颗粒的比例，可获得调控复合材料介观结构的效果；由于晶粒尺度的细化，减少了大球晶“排渣效应”所产生的微孔和界面缺陷，通过界面陷阱的调制作用，抑制了空间电荷的积累；微纳米颗粒的均匀分散，使复合材料耐电腐蚀性能明显提高。（2）无机纳米SiO2颗粒与层状MMT的相互作用，使得无机颗粒在聚合物体内更均匀分散及MMT片层的进一步剥离。通过调节SiO2与MMT的比例，在相同引发条件下，微纳米复合聚乙烯的耐电树与局放性能显著优于纯聚乙烯及其纳米复合材料和微米复合材料；环氧树脂基的SiO2/MMT/EP微纳米复合材料，耐电腐蚀能力也显著优于纯环氧树脂和其他微米复合物和纳米复合物。（3）微纳米的协同效应使得环氧树脂基微纳米复合材料的非线性系数明显提高。当微米ZnO与纳米SiC比例为2:3时， ZnO/SiC/EP微纳米复合材料与纳米SiC / EP、微米ZnO / EP和纳米ZnO / EP复合材料相比，电导率的非线性系数分别提高了0.82、2.48和5.01倍。（4）利用Materials studio软件仿真分析电场、温度场和电热联合作用对聚乙烯及其复合材料微域构象及陷阱特性的影响。仿真结果表明，电场的作用使自由体积减小，而热的作用则增大了自由体积。当同时施加电热联合作用时，电的作用效果占据主导地位。微观结构的变化使电荷陷阱特性改变，电场与温度的作用相比会产生更深能级的空间电荷陷阱。（5）研制了电树枝引发与局部放电联合测试系统；开发了可观测变温条件下电树枝生长过程的电树引发系统；利用COMSOL软件中的APP开发器，创建了定子线棒端部智能仿真分析系统。