典型空間聚合物介質的抗內帶電改性技術

王金鋒 鄭曉泉 李盛濤 白婧婧

(西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,西安 710049)

典型空間聚合物介質的抗內帶電改性技術

王金鋒 鄭曉泉 李盛濤 白婧婧

(西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,西安 710049)

消除航天器介質內帶電所產(chǎn)生脈沖放電威脅的最佳方式,除有效屏蔽外,就是研制不會產(chǎn)生脈沖放電的介質材料和絕緣結構件.通過對航天器用聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯等幾種典型聚合物的改性研究發(fā)現(xiàn),采用微米級無機粉料對聚合物介質材料進行改性,只要添加劑的電導率顯著低于聚合物的電導率,該復合介質材料即可產(chǎn)生顯著的非線性電阻率特性,可以實現(xiàn)在介質內帶電程度達到放電閾值時迅速以非脈沖電導電流方式釋放掉所儲存的危險電荷,有可能達到消除脈沖放電的目標;當該添加劑含有微量“施主”雜質時甚至還可以提高介質材料在正常情況下的電阻率.對復合介質非線性電阻特性的產(chǎn)生機理進行了分析.

航天器介質;改性;非線性電導;內帶電防護

空間介質內帶電極易引發(fā)嚴重影響航天器敏感電子電路運行可靠性的多頻譜脈沖放電.放電嚴重時會直接導致敏感電子器件或有機介質擊穿或燒毀.我國在研究航天器內帶電問題上起步較晚,目前國內的研究多集中在航天器介質帶電規(guī)律上,針對空間介質材料進行改性而實現(xiàn)介質內帶電防護技術研究方面在國內、國際公開刊物上均未檢索到相關研究報道.國內文獻檢索顯示,針對空間介質內帶電規(guī)律和帶電機理的研究也多集中在計算和仿真上[1-8],在實驗研究方面也還處于起步階段[9-12].分析表明,除屏蔽措施外,材料的電導特性是確定應用在空間環(huán)境下的介質是否會產(chǎn)生臨界深層帶電的關鍵參數(shù).

本文采用一種微米級無機填料對航天器常用的聚酰亞胺(Polyimide)、環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯(Teflon)3種聚合物材料進行改性,發(fā)現(xiàn)改性材料樣品出現(xiàn)顯著的非線性電導特性.而且 PI(Polyimide)復合材料在 0℃以上的常態(tài)電阻率還有所提高.表明對空間介質材料進行非線性電導改性有可能成為一種有效的抗內帶電防護方法.

1 介質電導特性與內帶電防護分析

影響介質帶電程度的最重要電氣參數(shù)是材料的電導率,較大的電導率有利于靜電荷的泄放.分析表明,應用在空間環(huán)境下介質材料的電導由 3項構成,即體電導率、誘導電導率和強場電導率.

式中,σ0表示介質體電導率;σr表示輻射誘導電導率;σE表示強場電導率.后 2項根據(jù)空間環(huán)境的變化和介質帶電量的不同而處在不斷的變化之中.當介質帶電量達到擊穿前夕時,第 3項的數(shù)值才顯著增加.介質電導率由載流子遷移率 μi,載流子濃度 ni和載流子帶電量 qi三者構成,即

如介質材料在空間環(huán)境下的電導率設計合理,在發(fā)生介質材料靜電擊穿前即會達到電荷平衡 ,即 dQ積累=dQ瀉放.為此,要求應用在空間環(huán)境下的介質材料有較大(遠超過材料自身的本征電導率)的誘導電導率或強場電導率.同時希望介質出現(xiàn)強場電導率時的靜電場強度 EDC恒小于材料的直流電場擊穿強度,即 EDC＜EB.

主絕緣材料,體電導率如過高會導致電力損耗過大和絕緣發(fā)熱,因此通過提升絕緣體電導率的方法來實現(xiàn)抗內帶電是不可取的.考慮到在強輻射情況下也不希望較大功率損失,最好的方法是采用具有顯著非線性電導特性的絕緣材料作為抗內帶電的絕緣材料:即只有在強輻射或靜電荷積累到一定程度才呈現(xiàn)出暫態(tài)較高體電導率的材料.

非線性電導是一種在介質材料接近電氣擊穿強度時出現(xiàn)的電導率隨電場強度急劇升高的現(xiàn)象.雖然非線性電導有利于靜電荷的釋放,但因其特性太陡,此時的電荷釋放一定是以電脈沖形式出現(xiàn)的,而且,非線性電導特性出現(xiàn)的電場強度無法控制.所以合理的非線性電導特性應該是平滑的且具有較低的閾值電場.

綜上分析,抗內帶電最佳的方法是使材料具有平滑且閾值電場較低的非線性電導特性.

2 實驗裝置與試樣

2.1 試 樣

1)自制 PI、Teflon、環(huán)氧樹脂試樣與復合試樣,試樣規(guī)格 100mm×100mm×2.5mm;

2)微米級無機復合添加劑,粒度范圍 4～50μm,粒度中值 35μm.

2.2 試驗裝置

1)非線性電導實驗系統(tǒng) (見圖 1):包括400kV直流高壓發(fā)生器,nA～mA表(自制)等;

2)CONCEPT80寬帶介電譜測量系統(tǒng)(德).

圖1 非線性電導實驗系統(tǒng)示意圖

3 實驗結果與分析

本文認為,滿足空間介質材料抗帶電性能的最合理的非線性電導特性應滿足 2個基本條件:①非線性電導出現(xiàn)的閾值電場強度應顯著降低,這樣可以將介質帶電水平限制在較低水平,按照一般電力設備絕緣強度裕度設計慣例,高于工作場強 10倍左右較為合理;②非線性電導特性曲線應較為平緩,因為陡峭的強場電導特性可能引發(fā)威脅航天器安全的脈沖型放電.下面主要描述對3種典型空間介質材料進行非線性電導改性后的電導特性實驗結果.

3.1 Teflon的非線性改性實驗結果

Teflon以其優(yōu)異的電性能、耐溫性能和機械強度、自潤滑特性等,廣泛被用作航天器電纜絕緣材料及結構件等.對聚四氟乙烯進行改性的最大困難是 Teflon不容易加工和粉粒添加劑難以均勻分布.研究發(fā)現(xiàn),采用 Teflon懸浮液可以獲得較均勻的 Teflon微米添加劑復合試樣.并對其電導性能進行了實驗,結果見圖 2.實驗顯示,Teflon本身的強場電導特性閾值大約為 27.5 kV/mm,而20%的添加劑可以使 Teflon復合材料的非線性電導特性閾值出現(xiàn)在 7 kV/mm左右,遠低于材料的擊穿強度.而直流擊穿強度略有降低(見表 1,降低約2.6%).

圖2 Teflon的改性實驗結果

表 1 復合試樣的DC平均擊穿強度 EBpj kV/mm

3.2 對環(huán)氧樹脂的非線性改性實驗結果

環(huán)氧樹脂是電路板常用基體樹脂材料,無機添加劑粉粒在液態(tài)環(huán)氧樹脂中容易沉淀是試樣制作的難點,因此對其進行改性的關鍵是添加劑能否在環(huán)氧樹脂中均勻分布.采用機械高速攪拌和加速預固化的方法,獲得了基本均勻的復合材料板狀試樣.圖 3為對板狀環(huán)氧樹脂復合試樣的電導特性實驗結果.

圖3 環(huán)氧樹脂的改性實驗結果

實驗顯示,添加劑致使環(huán)氧復合材料在較低電場下(21 kV/mm左右)出現(xiàn)非線性電導,遠低于材料的擊穿強度 40 kV/mm.DC擊穿強度反而上升(見表 1,分別為上升 10.4%和 8.6%).

3.3 PI的非線性電導改性結果

PI具有優(yōu)良的耐高低溫性能、介電性能和機械性能,在航天器上主要用做熱控薄膜和絕緣結構件材料.對改性 PI做的電導特性和阻溫特性分別如圖 4～圖 6所示.

1)非線性電導特性.本實驗研究顯示(見圖4),添加劑含量不同時會對 PI產(chǎn)生不同的改性效果:添加劑含量為 5%是較為合理,原因是復合材料的電導率曲線較為平滑,在低場下的電導率比基體樹脂還略有降低(見圖 5)等.

圖4 PI的電導改性實驗結果

2)電導率與添加劑含量關系.本實驗結果顯示,復合材料的體電導率隨著添加劑含量具有最小值(5%含量時),而不是簡單按添加劑體積分數(shù)單調變化.表明在添加劑與基體樹脂之間存在一種能影響電導率的界面極化效應,會產(chǎn)生對直流電的限流作用.

圖5 復合介質體電導率與添加劑含量關系

3)阻溫特性.航天器圍繞地球運行時不斷經(jīng)歷周期性的溫度變化,研究介質材料的阻溫特性是考核介質材料抗內帶電性能的重要環(huán)節(jié).本實驗顯示,當添加劑含量在 3%～5%之間時,在 0℃以上溫度范圍,復合材料的體電阻率反而增加(見圖 6).由于添加劑的電阻率遠低于基體樹脂的電阻率,更證實了在上述所提出的 2種材料界面存在界面極化限流作用的推測.

圖6 添加劑改性試樣的阻溫特性曲線

3.4 實驗分析

實驗研究顯示,采用復合添加劑對 Teflon,PI和環(huán)氧樹脂 3種典型空間聚合物介質進行非線性電導率改性的效果十分顯著.由于航天器供電電纜的電源為直流電,而介質損耗描述的是介質在交變電場下才會出現(xiàn)的一種損耗,因此改性對材料介電常數(shù)和介質損失帶來的變化并不對絕緣材料在空間的使用帶來影響.改性后所帶來的抗內帶電防護的好處卻是巨大的.當然,這還是初步的實驗研究,隨著研究的深入,有關添加劑成分的優(yōu)選結果,添加劑與材料加工工藝、使用性能相適應的最佳加入量和粒度分布等一系列研究成果必然為我國介質抗內帶電防護技術帶來較大發(fā)展.由于復合介質非線性電導率產(chǎn)生機理所能檢索到的相關文獻極少,因此以下有關本實驗研究結果機理的討論主要根據(jù)本文的研究經(jīng)驗和電介質物理理論推測.

本文認為,復合介質出現(xiàn)非線性電導的原因大致為:由于添加劑具有遠高于基體樹脂的電導率,按照介質物理理論[13],在外施直流電壓的情況下,應用串聯(lián)復合介質模型,對比圖 4和圖 5,對復合材料非線性電導做如下描述(見圖 7):①聚合物歐姆電導區(qū).較低電場下,復合材料內部的局部電場按電導率呈反比分布,電場主要由基體樹脂承擔.此時復合介質呈現(xiàn)聚合物基體的歐姆特性.②聚合物薄層隧道電流產(chǎn)生區(qū).距離為納米級的 2個添加劑粒子間的聚合物薄層首先出現(xiàn)“隧道”效應電流[14],此時宏觀電流隨外加電場上升而非線性上升.③聚合物局部強場電導產(chǎn)生區(qū).外施電壓進一步上升,距離為納米 ～微米級的聚合物薄層上出現(xiàn)局部強場電導,此時聚合物薄層上的局部強場電導將遠大于添加劑粒子的體電導,主要電場轉為由添加劑粒子承擔,宏觀電流迅速上升.④添加劑歐姆電導區(qū).外施電壓繼續(xù)上升,所有聚合物薄層上均出現(xiàn)強場電導,由于添加劑電阻的限流作用,宏觀電流近似線性上升.復合材料又一次出現(xiàn)以添加劑為主體的歐姆特征.⑤宏觀強場電導區(qū).在復合材料擊穿前夕,整體材料必然出現(xiàn)強場電導,最終必將再一次出現(xiàn)電流陡增情況.

圖7 復合介質的理想非線性電導特性

4 結 論

1)采用電導率遠低于基體樹脂的無機添加劑對 PI、環(huán)氧樹脂和 Teflon等航天器用聚合物材料進行非線性電導改性,復合材料均會產(chǎn)生顯著的非線性電導特性.改性試樣的直流擊穿強度基本不發(fā)生改變.

2)添加劑粒子之間的聚合物薄層上出現(xiàn)隧道電流和局部強場電導是復合介質產(chǎn)生非線性電導的根本原因.主要電場在聚合物薄層和添加劑粒子之間轉化,添加劑粒子的限流作用以及整體復合介質最終出現(xiàn)強場電導就是非線性電導的全貌.

通過對 3種空間聚合物材料的非線性電導率改性試樣的制備工藝研究,發(fā)現(xiàn)改性后的復合材料具有預計的非線性電導特性,初步研究獲得了預期結果.可以預料,復合介質優(yōu)良的非線性電導特性,有利于及時泄放掉介質中因高能電子注入積累的靜電荷,達到介質抗深層帶電的防護目標.但研究是否滿足工程應用需要,還有許多路要走:①最適宜添加劑品種選擇;②添加劑粒度和粒度分布選擇;③添加劑自身的配比研究;④添加劑與基體樹脂的相容性研究;⑤復合材料機械性能研究等.此外,復合材料是否滿足消除脈沖型放電的目標,還要依賴于熱刺激電流(TSC,Thermally Stimulated Current)等實驗來驗證,最終還要通過空間環(huán)境模擬實驗進行驗證.還需要在線測量介質在高能電子注入情況下的電荷聚集程度、在線電導特性分析等.

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(編 輯 :張 嶸)

Internal charging protection technology of typical space polymer dielectric material

Wang Jinfeng Zheng Xiaoquan Li Shengtao Bai Jingjing

(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi'an Jiaotong Univevsity,Xi'an 710049,China)

Besides efficient shield,the best method for eliminating the pulsed discharge induced by the deep charge of spacecraft dielectric was to use dielectric materials or insulation structural components that never produce any pulsed discharges.By non-linearity modification experiment research on several typical polymer dielectrics like Polyimide,Epoxide resin and Teflon,it was found that through the addition of the inorganic powder that possess a conductivity much higher than that of the polymer,the composite dielectric material would produce a remarkable non-linearity conductance character.By this way,the excessive charges would be discharged as a method of non-pulsed conducting current before the deep dielectric charging reaches the discharge threshold.It was proved that,even the normal resistance could be increased by this method.Finally,the mechanism on the non-linearity conductance of the composite material was investigated.

space aircraft dielectrics;modification;non-linearity conductivity;internal charged protection

TM 215.1+3;TM 154.3

A

1001-5965(2011)02-0180-05

2009-12-11

國家自然科學基金資助項目(50577052);國家專項基金、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室自主課題(EIPE09107)

王金鋒(1984-),男,河南許昌人,博士生,xc.wangjf@stu.xjtu.edu.cn.