聚乙烯/蒙脱土纳米复合物树枝化性能与机理研究

论文摘要

聚乙烯(PE)是一种在电气绝缘领域应用极为广泛的塑料,具有良好的电绝缘性能,但长期在高电场作用下容易产生电树枝导致绝缘老化。纳米复合材料由于纳米粒子独特的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应而具有特殊的性能。目前聚合物/层状硅酸盐(PLS)纳米复合材料由于众多优点而成为研究的热点,具有2:1型片层结构的蒙脱土是最常用的层状硅酸盐之一。对PE进行纳米改性有很好的科学研究价值及工程意义。本文采用熔融插层法制备了聚乙烯/蒙脱土(PE/MMT)纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)对PE/MMT纳米复合材料进行了显微结构表征,结果表明,所制备的复合材料为纳米复合材料。文中利用数字摄像系统和局部放电检测系统联合测量装置对比研究了PE和PE/MMT纳米复合材料的树枝化性能及其电树枝生长过程中局部放电信号的变化情况。试验结果表明,与PE相比,熔融插层法制得的PE/MMT纳米复合材料引发的电树枝分散性较小;电树枝形状主要为稠密枝状或丛枝状;无论在交流还是预直流引发下,电压施加120min时的树枝长度均比同条件下PE试样的树枝长度短;电树生长过程中PE/MMT试样引发电树的分形维数比同条件PE试样大,局部放电量小,放电稀疏。这些结果均表明了PE/MMT纳米复合材料有效的抑制了电树的生长。另外,从极性的角度说,正极性预直流可以抑制电树的生长,负极性预直流则促进电树的生长。为了进一步研究PE/MMT纳米复合材料的耐树枝化机理,对PE和PE/MMT纳米复合材料进行了热激电流(TSC)谱测量。其TSC谱图显示:PE/MMT纳米复合材料热激电流的峰温降低,峰值升高,峰宽减小,另外在高温区还存在峰值很小的电流峰。利用起始上升法计算表明PE/MMT纳米复合材料具有较深的陷阱能级,这些陷阱可以调制载流子的浓度和迁移率,从而有效抑制电树的生长。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料的发展
• 1.2 纳米复合材料及聚合物基纳米复合材料
• 1.3 聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展
• 1.4 聚乙烯改性及树枝化性能研究的意义
• 1.5 课题来源及其主要研究内容
• 第2章 聚乙烯/蒙脱土复合物理论基础及结构表征
• 2.1 蒙脱土的结构特征及有机化处理
• 2.1.1 蒙脱土的结构
• 2.1.2 蒙脱土的结构特征
• 2.1.3 蒙脱土的有机化处理
• 2.2 聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的研究进展
• 2.3 聚合物基纳米复合材料的制备方法
• 2.3.1 插层聚合法
• 2.3.2 溶液插层法
• 2.3.3 熔融插层法
• 2.4 聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的分类与结构表征
• 2.4.1 聚合物/蒙脱土纳米复合材料的分类
• 2.4.2 聚合物/蒙脱土纳米复合材料的结构表征手段
• 2.4.3 聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的SEM 分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 树枝化性能研究意义及理论基础
• 3.1 电树枝化性能研究的意义
• 3.1.1 电树枝是一种灾难性的树枝
• 3.1.2 聚合物电树枝化是电力设备可靠性的瓶颈
• 3.1.3 电树枝化研究是认识聚合物绝缘电老化过程的关键
• 3.2 电树枝化性能研究综述
• 3.2.1 电树枝的形成机理
• 3.2.2 电树枝的分类及其参数表征
• 3.2.3 外加条件对电树枝化的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 聚乙烯/蒙脱土纳米复合物树枝化特性试验
• 4.1 试验系统
• 4.2 电树引发试样的制备
• 4.3 试验过程
• 4.4 试验结果及分析
• 4.4.1 电树生长分散性分析
• 4.4.2 电树生长长度分析
• 4.4.3 电树枝的结构分析
• 4.4.4 电树枝分形维数分析
• 4.4.5 电树枝的生长过程中的局部放电特性
• 4.5 本章小结
• 第5章 聚乙烯/蒙脱土纳米复合物热激电流谱测量
• 5.1 热激电流研究的意义
• 5.2 热激电流法（TSC 法）相关理论
• 5.2.1 空间电荷松弛的热激电流
• 5.2.2 偶极子松弛的热激电流
• 5.2.3 热激电流的一般动力学方程
• 5.2.4 热激电流的影响参数及其曲线分析方法
• 5.3 聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的TSC 谱测量及分析
• 5.3.1 试验装置
• 5.3.2 试验过程
• 5.3.3 试验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢