聚合物納米復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)對其電荷輸運(yùn)的影響.pdf

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

2、復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)場電導(dǎo)、空間電荷分布和擊穿強(qiáng)度為研究對象，詳細(xì)地研究了納米復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、電荷輸運(yùn)特性以及兩者之間的相互聯(lián)系，從而為建立復(fù)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(jī)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(fù)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(jī)械力學(xué)分析(DMA)等對不同試樣進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)了LDPE分子鏈之間的相互作用，導(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(fù)合材料在不同的測試環(huán)境下的空間電荷分布進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1)復(fù)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(fù)合材料以異極性空間電荷為主，微米復(fù)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(fù)合材料中形成了大量的雜質(zhì)離子；3)納米復(fù)合材料中的殘余電荷衰減速度比純LDPE和微米復(fù)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(fù)合材料所出現(xiàn)的空間電荷分布現(xiàn)象進(jìn)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(fù)合材料在不同試驗(yàn)條件下的直流擊穿強(qiáng)度，研究了無機(jī)粒子以及空間電荷分布對復(fù)合材料直流擊穿強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dǎo)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(qiáng)度，并且兩種復(fù)合材料的直流擊穿強(qiáng)度隨著粒子濃度的增加而減小；2)復(fù)合材料的直流擊穿強(qiáng)度受空間電荷分布的影響。納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE復(fù)合材料經(jīng)過正極性預(yù)壓后，復(fù)合材料同極性的直流擊穿強(qiáng)度提高。原因是在復(fù)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(qiáng)度，從而限制了電極電荷的注入，使復(fù)合材料的直流擊穿強(qiáng)度得到提高。 聚合物復(fù)合材料的電導(dǎo)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(fù)合材料在不同的測試條件下進(jìn)行了強(qiáng)場電導(dǎo)測量。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在復(fù)合材料電導(dǎo)特性中出現(xiàn)了兩個(gè)新穎的電導(dǎo)現(xiàn)象。1)兩種復(fù)合材料的強(qiáng)場電導(dǎo)中都存在預(yù)電應(yīng)力現(xiàn)象，即在相同的測試條件下，復(fù)合材料經(jīng)過高場預(yù)壓后，第二次測得的同極性電導(dǎo)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(fù)合材料的強(qiáng)場電導(dǎo)中都存在滲渝電導(dǎo)現(xiàn)象，即復(fù)合

9、材料的電導(dǎo)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(fù)合材料的空間電荷分布測量和活化能U的計(jì)算，本文結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)分析對上述現(xiàn)象進(jìn)行了討論。 在強(qiáng)場電導(dǎo)的測試過程中，除了上述預(yù)電應(yīng)力和滲渝電導(dǎo)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：在強(qiáng)電場下(＞50MV/m)，純LDPE的電導(dǎo)電流以空間電荷限制電流為主，而納米SiOx/LDPE和微米SiO2/LDPE復(fù)合材料的