面向重礦行業(yè)的開放式控制器中實(shí)時(shí)中間件研究及應(yīng)用.pdf

1、空間電荷在工程電介質(zhì)老化和擊穿過程的作用逐步被人們所認(rèn)識(shí)，空間電荷是聚合物在直流高壓作用下發(fā)生老化和擊穿的主要原因之一。目前對(duì)空間電荷是絕緣老化的原因或結(jié)果是有所爭議的。傳統(tǒng)的研究認(rèn)為工作在高電場下的工程電介質(zhì)由于空間電荷的注入并積累使介質(zhì)內(nèi)部電場嚴(yán)重畸變甚至達(dá)到擊穿場強(qiáng)，加速介質(zhì)的老化和擊穿，相應(yīng)的解釋模型如電荷的注入和抽出理論，熱電子理論，光降解理論等都是在考慮介質(zhì)處于外加電場作用下的空間電荷與介質(zhì)之間的相互作用。但是，

2、最近的研究結(jié)果表明，外加電場并不是介質(zhì)擊穿的必要條件，介質(zhì)的擊穿也可以發(fā)生在空間電荷的脫阱過程中。陷阱電荷周圍束縛有一定量的機(jī)械能，陷阱電荷的緩慢衰減伴隨著束縛機(jī)械能的緩慢釋放；當(dāng)大量陷阱電荷受到外界擾動(dòng)而迅速釋放時(shí)，急速釋放的機(jī)械能可能導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿。本文研究了電子束輻照環(huán)境對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate，PMMA) 介電性能的影響，重點(diǎn)研究了PMMA在完全沒有外加電場下，由空間電荷脫

3、陷誘發(fā)的空間電荷擊穿行為，以及無機(jī)納米氧化物摻雜對(duì)PMMA空間電荷擊穿的影響。本文把在完全沒有外加電場作用下，由空間電荷脫陷導(dǎo)致的介質(zhì)擊穿稱為空間電荷擊穿(space charge breakdown)。研究介質(zhì)的空間電荷擊穿機(jī)理對(duì)于高壓電力電纜、對(duì)于工作在帶電粒子環(huán)境下的介質(zhì)(如太空介質(zhì)天線等)的運(yùn)行安全都有著十分重要的意義。為了研究在完全沒有外加電場下，空間電荷對(duì)電介質(zhì)擊穿的作用，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將空間電荷引入研究介質(zhì)中，本文采

4、用了電子束輻照?，F(xiàn)有的有關(guān)輻照研究的手冊(cè)也提供電子束與各種材料相互作用后的最大行程，但往往沒有提供輻照后電荷空間分布的信息，而電荷空間分布信息的確定是本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文利用Monte-Carlo方法模擬受電子束輻照的PMMA樣品中的空間電荷分布，并以此結(jié)果輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所需的電子束能量、樣品厚度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，模擬計(jì)算獲得的空間電荷分布與利用壓力波 (Pressured Wave Propagation，PWP)測

5、量結(jié)果吻合地很好，模擬計(jì)算的結(jié)果為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了有用的依據(jù)。用壓力波法(PWP)，紅外吸收光譜法(IR)，介電頻譜法，壓汞法(Mercury porosimetry)，介電泄漏電流法等研究了電子束輻照對(duì)PMMA介電性能的影響。結(jié)果表明，PMMA 中存在較多的陷阱，易于捕獲電荷；受電子束輻照作用的PMMA樣品，其內(nèi)部空隙度有較為明顯的變化，這會(huì)造成樣品介電系數(shù)的減少，但PMMA中極性側(cè)基團(tuán)在存儲(chǔ)于介質(zhì)中的空間電荷構(gòu)成的內(nèi)電場作用

6、下極化增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致樣品介電系數(shù)的增加。受輻照樣品的介電系數(shù)需由樣品的孔隙度變化和樣品內(nèi)電場分布情況共同決定。樣品電導(dǎo)率的變化與輻照感應(yīng)電導(dǎo)率有關(guān)。利用外加擾動(dòng)的方法使注入 PMMA 樣品中的空間電荷脫陷，研究空間電荷擊穿的誘發(fā)和影響空間電荷擊穿的諸多因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉積在PMMA中的空間電荷處于一種不穩(wěn)平衡的狀態(tài)，空間電荷在通常情況下是緩慢脫陷衰減的，這不會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿；而空間電荷的急速脫陷伴隨著被空間電荷束縛的機(jī)械

7、能的急速釋放將導(dǎo)致空間電荷的擊穿，外界擾動(dòng)如外加應(yīng)力，外界擾動(dòng)電場，激光脈沖，電子束輻照等都可以誘發(fā)空間電荷的脫陷。研究還發(fā)現(xiàn)，空間電荷擊穿存在閾值電荷密度條件，當(dāng)電荷密度小于閾值電荷密度時(shí)，就不會(huì)誘發(fā)空間電荷擊穿。討論了空間電荷擊穿傳播的條件，并初步建立模型解釋PMMA中的空間電荷擊穿行為。研究摻雜了無機(jī)納米氧化物SiO2，Al2O3和BaTiO3的PMMA中的電荷衰減和空間電荷擊穿行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無機(jī)納米粉末摻雜可以

8、提高PMMA樣品的深陷阱能級(jí)密度，摻雜粉末的重量比例增加時(shí)，粉末顆粒之間的作用增強(qiáng)，材料的電導(dǎo)率可能會(huì)增加。相同粉末的不同重量比例和相同重量比例的不同粉末對(duì)有機(jī)玻璃復(fù)合材料的空間電荷擊穿行為有著明顯不同的作用。具有較高介電常數(shù)的納米粉末對(duì)抑制空間電荷擊穿行為的作用更為明顯，而適當(dāng)重量比例的納米粉末將對(duì)有機(jī)玻璃復(fù)合材料的空間電荷擊穿的抑制作用最為明顯。納米添加劑明顯改變樣品的局域能級(jí)狀態(tài)，影響PMMA樣品的空間電荷擊穿行為。