交联聚乙烯绝缘材料直流介电性能改善及其机理研究

Cross-linked polyethylene (XLPE) insulation materials in high voltage direct current (HVDC) cables have been monopolized by several transnational enterprises and they are the urgent and strategic Hi-Tech products for the nation. In this project, two technology pathways will be used to identify the appropriate method for the effective improvement of DC dielectric properties of XLPE and it will further provide the theoretical guide and technical support for the localization. In the first one, combined computer-aided molecular simulations and energy spectrum analysis, the mechanisms of aromatic derivatives to suppressing space charge accumulation, increasing breakdown strength and improving conduction characteristic of XLPE will be investigated and some high-activity aromatic derivatives that can be grafted to polyethylene to remarkably improve DC dielectric properties of XLPE will be chosen. In the second one, combined physical tests with theoretical chemistry calculations, the appropriate method for studying the interface charge characteristics in XLPE composites filled with nano fillers will be identified. Further, both the effects of different factors on interface charges and the mechanism for the improvement of DC dielectric properties of XLPE by nano oxides and nano conductive materials will be explored; high-performance nanometer oxides and conductive materials will be selected. Finally, XLPE insulation nanocomposites used in HVDC cables with superior comprehensive performances will be designed and developed. The common scientific question in both technology pathways is how to affect and control the electron behaviors in the materials. This research not only has the important scientific significance, but also has potential to bring remarkable economic and social benefits.

高压直流电缆交联聚乙烯（XLPE）绝缘材料是少数跨国公司垄断产品，属国家急需战略性高技术产品。本项目基于两个技术路线研究提高XLPE直流介电性能的方法，为其国产化提供理论指导和技术支持。技术路线之一是在计算机分子模拟研究的基础上，结合能谱分析等探明芳香族衍生物抑制XLPE空间电荷积累、提高其击穿强度和改善其电导特性的机理，选出可接枝聚乙烯并能明显改善XLPE直流介电性能的芳香族衍生物。技术路线之二是通过仪器测试分析和理论化学计算，获得研究纳米复合XLPE界面电荷特性的有效方法，进而揭示各因素对界面电荷的影响规律及添加纳米氧化物和纳米导电材料改善XLPE直流介电性能的机理，选出性能更好的纳米氧化物和纳米导电材料，开发出综合性能优异的高压直流电缆纳米复合XLPE绝缘材料。两个技术路线的共性科学问题是对材料中电子行为的影响和调控，该研究不仅具有重大的科学意义，而且有望获得显著的经济和社会效益。

交联聚乙烯（XLPE）绝缘材料在高压直流电缆应用中，需要更高的介电性能。本项目以XLPE绝缘材料为对象，研究改善其直流介电性能的方法、机理以及所涉及的关键科学问题。在具体研究中采用了纳米材料填充和有机化学改性两种技术路线对XLPE性能进行提升。对于纳米材料填充方法，系统研究了无机纳米颗粒、导电炭黑和导电聚合物纳米颗粒多种添加剂填充XLPE材料的制备方法、材料介电特性和老化、劣化行为。利用电场力显微镜、电子同步辐射X射线小角度散射等方法对纳米颗粒界面荷电及界面结构进行了直接观测，证实了无机纳米颗粒周围存在荷电层。进一步利用DMA、TSC、PEA等方法研究发现，纳米添加剂可以通过不同机制在XLPE形成分布均匀、致密的电荷深陷阱，这些深陷阱对载流子行为的影响是改善空间电荷和电导特性的重要机制。小批量制备了纳米SiO2填充的XLPE材料和±200kV样品电缆并通过了型式试验。对于有机化学改性方法，利用分子仿真计算方法，明确了苯乙酮分子的酮式-烯醇式异构化和价键异构化转变耗散高能电子能量，是提高材料耐电特性的机理。并依据苯乙酮的特定轨道能量参数特点，详细研究了多种含有特定官能团的有机化合物的分子轨道能隙、电子亲和势和电子态密度等特性，以特定轨道能量参数为基本依据结合实验筛选出了一种芳香酮高效电压稳定剂，实现了与XLPE分子的接枝，实验表明该材料具良好介电性能和稳定性，并已在企业用工业方法制备了电缆材料。.本项目通过不同技术路线制备出了具有良好直流介电性能的XLPE材料，提出了改善材料特性的关键机制，为进一步开发工业化产品奠定了理论和实践基础。发表高水平论文46篇，申报中国发明专利9件，其中已获授权3件，培养研究生35名，其中已获博士学位4名，获硕士学位25名，出站博士后1名。实现了项目研究目标。