無機納米氧化硅-低密度聚乙烯復(fù)合材料慢極化特性的研究.pdf

1、無機納米/聚合物復(fù)合材料作為一種新興的材料日益引起廣大工程和學(xué)術(shù)人員的關(guān)注。國內(nèi)外許多學(xué)者從復(fù)合介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、介電性能、電荷輸運特性等方面已經(jīng)做了大量的研究工作，并且獲得一些實驗結(jié)果。但在無機納米復(fù)合介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和介電特性間的聯(lián)系方面，目前尚缺乏系統(tǒng)的模型解釋眾多實驗現(xiàn)象。納米粒子的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和隧道效應(yīng)等導(dǎo)致了其在應(yīng)用方面表現(xiàn)出區(qū)別于微米粒子的功能特異性。納米粒子這些有別于微米粒子的特性使它在聚合物當(dāng)中形成了

2、與微米粒子不同的界面，并且在電荷輸運過程中起到了決定性的作用。本文著重研究無機納米氧化硅(SiO<,x>)和低密度聚乙烯(Low-density Polyethylene，LDPE)復(fù)合介質(zhì)的界面極化(即慢極化或低頻極化)特性，并與無機微米二氧化硅(SiO<,2>)和低密度聚乙烯(LDPE)復(fù)合介質(zhì)的界面極化進行比較，同時研究在不同溫度、不同場強下的界面極化特性的變化規(guī)律。 采用雙溶液共混法制備Nano-SiO<,x>/LDPE

3、和Micro-SiO<,2>/LDPE復(fù)合介質(zhì)，利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)研究了Nano-SiO<,x>和Micro-SiO<,2>在LDPE中的分散狀態(tài)，結(jié)果表明通過雙溶液共混法，Nano-SiO<,x>和Micro-SiO<,2.均能均勻地分散于LDPE中。 納米和微米粒子均勻地分散于聚乙烯中，在復(fù)合介質(zhì)中形成了許多微觀界面，同時復(fù)合介質(zhì)中還存在晶界與無定形結(jié)構(gòu)之間

4、的界面，因此復(fù)合介質(zhì)是一個具有多種界面的復(fù)雜系統(tǒng)。為了研究復(fù)合介質(zhì)的界面極化特性，本文采用時域法進行測量分析。采用電流計KEITHLEY 6517A采集試樣在2×10<'6>～2×10<'7>V/m的直流場強預(yù)壓后的放電曲線，將隨時間變化的電流數(shù)據(jù)進行傅立葉變化從而可以得到ε'-ε<,∞>和ε"在低頻部分的值。研究復(fù)合介質(zhì)的損耗發(fā)現(xiàn)：1)隨著電場的升高，介質(zhì)的極化強度增大，介質(zhì)極化機理會發(fā)生改變；2)純聚乙烯的極化強度要大于納米和微米復(fù)

5、合介質(zhì)的極化強度，并且極化峰值所在的位置比復(fù)合材料的都要低；3)溫度升高慢極化峰值向高頻方向移動；4)在研究過程中發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的界面極化現(xiàn)象受電應(yīng)力歷史的影響，純聚乙烯的界面退極化隨電應(yīng)力歷史變化明顯，而含納米的復(fù)合介質(zhì)界面退極化不隨電應(yīng)力歷史變化。 通過德國Novocontrol Concept 80寬頻介電譜儀測量復(fù)合介質(zhì)在1×10<'-4>～1×10<'7> Hz的頻譜下的損耗，研究復(fù)合材料的介電常數(shù)和其他極化機理，測量結(jié)果發(fā)

6、現(xiàn)：1)純聚乙烯的介電常數(shù)在所測頻譜范圍內(nèi)變化很小，而納米復(fù)合材料在此頻率范圍內(nèi)變化較大并隨含量的增加變化增大，微米復(fù)合材料介電常數(shù)變化也較大，但隨含量增加無明顯的變化規(guī)律：2)納米復(fù)合材料的介電松弛峰位于較高頻率(1Hz～10<'4> Hz)，并且隨著納米含量的增加峰值增大，峰值位置也往高頻方向移動；微米復(fù)合材料介電松弛峰位于較低頻率(10<'-3>Hz～10<'-1>Hz)，并且峰值隨含量增加而增大，峰的位置基本不變；純聚乙烯在所測

7、的寬頻范圍內(nèi)并未有明顯的峰值存在，而在低頻部分損耗上升。采用日本SEISAKU-SHD,LTD公司生產(chǎn)的熱刺激電流測量儀測量復(fù)合介質(zhì)的熱刺激電流，測量的溫度范圍為173K-253K。實驗結(jié)果表明，純聚乙烯的界面能級深度最深，峰值處于高溫區(qū)320.323 K；微米復(fù)合介質(zhì)的電流峰值對應(yīng)溫度低于純聚乙烯在304 K左右，說明陷阱能級深度要比純聚乙烯的淺，并且隨著含量的增加峰值位置并不改變；而納米復(fù)合介質(zhì)的峰值對應(yīng)溫度最低在250～288 K

8、范圍內(nèi)，陷阱能級深度最淺，并且隨著納米含量的增加峰值越往低溫區(qū)移動，陷阱能級深度隨含量增加而降低。 本文采用電聲脈沖法(Pulsed-electro-acoustic Method，PEA)研究了純LDPE、不同濃度的Nano-SiO<,x>/LDPE和Micro-SiO<,2>/LDPE復(fù)合材料等在中等直流電場下(5-20kV/m)的空間電荷分布。實驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中的異極性空間電荷較純聚乙烯的多；微米復(fù)合材料的空間電荷分布中場