聚合物納米復合材料微觀結(jié)構(gòu)對其電荷輸運的影響.pdf

1、無機納米/聚合物復合材料不僅具有無機納米粒子的性能，還保留了聚合物穩(wěn)定的物理化學特性，已成為材料科學中一個熱門的研究方向。目前，一些學者對聚合物納米復合材料的介電性能進行了初步的研究，如介電頻譜、復合介質(zhì)在高電場下的電導特性等。但是，從總體上來講，聚合物納米復合材料的介電性能的研究還停留在個別的實驗現(xiàn)象上，對其系統(tǒng)的研究還未見相關(guān)報道，尤其是微觀結(jié)構(gòu)和介電性能之間的關(guān)系。在當前國內(nèi)與國外學者對無機納米/聚合物復合材料研究成果的基礎(chǔ)上，以

2、復合材料的微觀結(jié)構(gòu)、強場電導、空間電荷分布和擊穿強度為研究對象，詳細地研究了納米復合材料的微觀結(jié)構(gòu)、電荷輸運特性以及兩者之間的相互聯(lián)系，從而為建立復合材料微觀結(jié)構(gòu)和電氣性能之間的關(guān)系奠定一定的基礎(chǔ)。 為了研究無機粒子對低密度聚乙烯(LDPE)微觀結(jié)構(gòu)的影響，采用雙溶液共混法制備不同濃度的納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE復合材料，并利用透射電子顯微鏡(TEM)、傅立葉紅外光譜FTIR、X-射線衍射(XRD)、差熱掃描

3、量熱法(DSC)、動態(tài)機械力學分析(DMA)等對不同試樣進行了測試。實驗結(jié)果表明：納米SiOx和微米SiO2粒子的添加在LDPE中起到了成核劑的作用，提高了LDPE的結(jié)晶速度和結(jié)晶度，并隨著粒子濃度的增加而增加。納米SiOx粒子的添加，在納米粒子和LDPE分子鏈之間形成了氫鍵，加強了LDPE分子鏈之間的相互作用，導致SiO2紅外光譜吸收峰偏移、熔融溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲能模量的增加；而微米粒子增加了LDPE分子鏈之間的距離，減弱了LD

4、PE分子鏈之間的相互作用，從而導致LDPE材料的儲能模量和損耗模量的降低。 由于納米SiOx和微米SiO2粒子的添加改變了LDPE原有的微觀結(jié)構(gòu)，而復合材料的空間電荷分布、陷阱能級分布又與材料微觀結(jié)構(gòu)緊密相聯(lián)。本文采用電聲脈沖法空間電荷測試裝置(PEA)對純LDPE、不同濃度的納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE復合材料在不同的測試環(huán)境下的空間電荷分布進行了測試。實驗結(jié)果表明：1)復合材料的空間電荷分布受電極材料的影響

5、，銀電極比金電極更容易注入空穴，而金電極比銀電極更容易注入電子；2)從短路過程中的空間電荷分布來看，納米復合材料以異極性空間電荷為主，微米復合材料以同極性電荷為主。這說明了納米粒子表面處理劑的引入，在復合材料中形成了大量的雜質(zhì)離子；3)納米復合材料中的殘余電荷衰減速度比純LDPE和微米復合材料小，說明納米粒子表面效應(yīng)，在納米粒子和LDPE分子鏈之間的界面形成了能級較深的陷阱。論文結(jié)合納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE的微觀結(jié)

6、構(gòu)分析，對在測試過程中復合材料所出現(xiàn)的空間電荷分布現(xiàn)象進行了討論。 通過測量純LDPE、不同濃度的納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE復合材料在不同試驗條件下的直流擊穿強度，研究了無機粒子以及空間電荷分布對復合材料直流擊穿強度的影響。實驗結(jié)果表明：1)由微觀分析可知，微量的納米粒子的添加加強了LDPE分子鏈之間的相互作用，而微米粒子的添加減弱了LDPE分子鏈之間的作用。這導致了納米SiOx和微米SiO2粒子的添加分別增

7、加和減弱了LDPE材料的直流擊穿強度，并且兩種復合材料的直流擊穿強度隨著粒子濃度的增加而減??；2)復合材料的直流擊穿強度受空間電荷分布的影響。納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE復合材料經(jīng)過正極性預壓后，復合材料同極性的直流擊穿強度提高。原因是在復合材料中形成了同極性空間電荷，這些電荷削弱了電極附近的電場強度，從而限制了電極電荷的注入，使復合材料的直流擊穿強度得到提高。 聚合物復合材料的電導特性不僅受材料微觀結(jié)構(gòu)的影響

8、，而且還受空間電荷分布的影響。對純LDPE、不同濃度的納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE復合材料在不同的測試條件下進行了強場電導測量。由實驗結(jié)果可知，在復合材料電導特性中出現(xiàn)了兩個新穎的電導現(xiàn)象。1)兩種復合材料的強場電導中都存在預電應(yīng)力現(xiàn)象，即在相同的測試條件下，復合材料經(jīng)過高場預壓后，第二次測得的同極性電導電流值小于第一次測得的數(shù)據(jù)，并隨著粒子濃度的增加而越來越明顯；2)兩種復合材料的強場電導中都存在滲渝電導現(xiàn)象，即復合

9、材料的電導電流隨著粒子濃度的增加，先減小后增大。通過對不同濃度復合材料的空間電荷分布測量和活化能U的計算，本文結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析對上述現(xiàn)象進行了討論。 在強場電導的測試過程中，除了上述預電應(yīng)力和滲渝電導現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)了納米SiOx和微米SiO2粒子的添加改變了LDPE原有的伏安特性。由實驗數(shù)據(jù)分析可知：在強電場下(＞50MV/m)，純LDPE的電導電流以空間電荷限制電流為主，而納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE復合材料的