CNFs摻雜濃度對(duì)CNFs／LDPE復(fù)合材料空間電荷的影響

喬蕊，郝春成，2，于辰，雷清泉

（1．青島科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266042；

2．西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710049）

0 引言

在直流輸電線路中，直流電力電纜具有絕緣的工作電場(chǎng)強(qiáng)度高，絕緣厚度薄，電纜外徑小、重量輕、柔軟性好、制造安裝容易；介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗低，載流量大；沒有交流磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)［1－2］．但是，直流高壓電力電纜的發(fā)展相對(duì)于交流電力系統(tǒng)是滯后的．主要是因?yàn)榫酆衔锝^緣的空間電荷效應(yīng)這個(gè)問題尚待解決．

空間電荷是指絕緣體或半導(dǎo)體中局部區(qū)域，異質(zhì)相間和電極－介質(zhì)界面處存在的凈的正電荷或負(fù)電荷［3］．在聚合物中存在大量的陷阱，在電場(chǎng)的作用下，陷阱捕獲載流子形成空間電荷．空間電荷嚴(yán)重畸變聚合物絕緣的內(nèi)部電場(chǎng)．同極性空間電荷減小電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，而異極性空間電荷將增大這種電場(chǎng)強(qiáng)度［4－5］．國(guó)外有學(xué)者研究［6］表明：當(dāng)電纜絕緣內(nèi)電場(chǎng)畸變率達(dá)到50%時(shí)，絕緣的壽命將會(huì)降低60倍．聚乙烯絕緣的空間電荷效應(yīng)是影響電力電纜絕緣介電強(qiáng)度和壽命的主要因素，因此，研制高壓直流電纜關(guān)鍵在于降低低密度聚乙烯中的空間電荷．

低密度聚乙烯較柔軟，具有良好的延伸性、電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、加工性能和耐低溫性等．碳纖維表面處理后，與聚乙烯之間的相容性和分散性得到很大改善，碳纖維的長(zhǎng)徑比和取向顯著影響了復(fù)合材料的導(dǎo)電性，纖維長(zhǎng)徑比越大、取向角越小，材料的導(dǎo)電性越好．隨著目前電力系統(tǒng)的發(fā)展，高壓直流輸電線路已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［7］．尤其是高壓直流電力電纜對(duì)絕緣層以及半導(dǎo)電屏蔽層電性能的特殊要求，給CNFs／LDPE納米復(fù)合材料的發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇．

電聲脈沖法則主要用于測(cè)量厚試樣．電聲脈沖法可以在帶電條件下測(cè)量絕緣的空間電荷，且測(cè)量裝置簡(jiǎn)單、制造成本又低，已成為測(cè)量空間電荷的主要技術(shù)［8］．

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1．1 原材料 CNFs：自制，利用化學(xué)氣相沉積法制備，并利用微波法在CNFs表面進(jìn)行金屬化鍍鎳處理［9］，直徑約200nm．實(shí)驗(yàn)所用二甲基硅油密度為0．975g／cm3，天津市巴斯夫化工有限公司生產(chǎn)；聚合物基體為半導(dǎo)電低密度聚乙烯：北歐化工Supersmooth LE0500屏蔽料，內(nèi)含炭黑、穩(wěn)定劑及過氧化二異丙苯（DCP，分子式C18H22O2，相對(duì)分子質(zhì)量270．37）交聯(lián)劑；絕緣低密度聚乙烯：北歐化工Supercure LS4201S絕緣料，內(nèi)含穩(wěn)定劑、DCP交聯(lián)劑；實(shí)驗(yàn)所用脫模劑為自配的二甲基硅油（體積分?jǐn)?shù)2%）與丙酮的混合液．

1．2 試樣的制備 將一定質(zhì)量比的表面金屬化后的CNFs與LDPE在開放式煉膠（塑）機(jī)上熔融共混以確保CNFs能夠均勻分布在LDPE中．用50T型平板硫化機(jī)將試樣壓成直徑2cm，厚度約0．2mm的CNFs／LDPE半導(dǎo)電層樣片．

將分別制備好的直徑約2cm的CNFs／LDPE半導(dǎo)電層（LDPE用北歐化工Supersmooth LE0500屏蔽料）和直徑約5cm的絕緣層（LDPE用北歐化工Supercure LS4201S絕緣料）樣片在100℃下在磨具中預(yù)熱后中心對(duì)齊熱貼合制成CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋絕緣層雙層樣片．

在本實(shí)驗(yàn)中，制備了CNFs不同摻雜濃度的一系列樣品作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，不取向復(fù)合的CNFs摻雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0．05%、0．1%、0．5%、1%、2%和5%的 CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋絕緣層雙層樣片，研究CNFs的摻雜濃度對(duì)CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋絕緣層雙層樣片空間電荷的影響．

1．3 空間電荷測(cè)試 采用日本生產(chǎn)的PEA空間電荷測(cè)量?jī)x（pulsed electro－acoustic nondestructive test system）對(duì)試樣進(jìn)行空間電荷的測(cè)試．如圖1所示，其中上電極采用半導(dǎo)電電極，下電極采用鋁板電極．試樣和電極之間用硅油作為聲耦合劑．

圖1 電聲脈沖法測(cè)量裝置原理圖

1．4 測(cè)試步驟 測(cè)試的過程為將每個(gè)雙層樣片在5、15、25kV／mm的直流電壓下測(cè)試20min，然后去除施加電壓，將樣品上下表面進(jìn)行短路，短路測(cè)試時(shí)間20min，保存數(shù)據(jù)．觀察不同CNFs摻雜濃度時(shí)，不同電場(chǎng)下，樣片中空間電荷的分布規(guī)律．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．1 不取向復(fù)合CNFs／LDPE納米復(fù)合材料的斷面表征 表面金屬化后的CNFs與LDPE在未施加磁場(chǎng)情況下不取向復(fù)合制得樣片，將樣片在液氮中進(jìn)行脆斷，對(duì)斷面噴金后進(jìn)行掃描電子顯微鏡測(cè)試，所得斷面的FE－SEM照片如圖2所示．從CNFs末端的局部放大圖2（a）中可以觀察到，CNFs與LDPE緊密粘結(jié)，界面處無空隙存在，說明CNFs與LDPE的相容性及粘結(jié)性很好．圖2（b～d）從3個(gè)不同的角度展示了復(fù)合材料斷面的形貌，CNFs均勻地分散在基體LDPE中．

圖2 不取向復(fù)合的CNFs／LDPE納米復(fù)合材料斷面FE－SEM照片

2．2 加壓時(shí)雙層樣片空間電荷分布情況 不取向復(fù)合的CNFs摻雜的質(zhì)量濃度分別為0．05%、0．1%、0．5%、1%、2%和5%的CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋絕緣層雙層樣片在施加不同電場(chǎng)強(qiáng)度下加壓20min的空間電荷分布如圖3所示．隨著施加電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，樣品內(nèi)空間電荷量逐漸增多．隨著半導(dǎo)電層中CNFs摻雜濃度的增大，樣品內(nèi)空間電荷量先增多后減少．當(dāng)CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0．5%時(shí)，樣品內(nèi)兩極附近積聚的空間電荷量增多，并逐漸沿厚度方向發(fā)生遷移，如圖3（a）～（c）所示；當(dāng)CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%時(shí)，樣品內(nèi)空間電荷量逐漸降低，樣品的空間電荷少很多，如圖3（e）～（f）所示；尤其是當(dāng)CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，樣品內(nèi)除陰極附近有微量電荷外，樣品內(nèi)部幾乎無空間電荷分布，如圖3（f）所示．電極通過半導(dǎo)電層向絕緣層中注入空間電荷，由于半導(dǎo)電層本身的高電導(dǎo)以及摻雜CNFs的各向同性分布，使電極注入的空間電荷在半導(dǎo)電層內(nèi)沿各個(gè)方向發(fā)生輸運(yùn)，CNFs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多加速了電荷輸運(yùn)速度，電荷趨于平均分布，與雜質(zhì)等電離的異極性空間電荷進(jìn)行中和，削弱了局部電場(chǎng)強(qiáng)度，半導(dǎo)電層與絕緣層界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度比外加電場(chǎng)強(qiáng)度要小很多，注入絕緣層中的空間電荷也相應(yīng)地減少，幾乎無空間電荷積聚．

不取向復(fù)合的CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋絕緣層雙層樣片在施加電場(chǎng)后短路的空間電荷分布如圖4所示．短路5s后樣品兩極附近均出現(xiàn)同極性空間電荷的釋放，電荷衰減較快；短路20min后電極附近的空間電荷密度迅速降低，最終在電極附近有少量空間電荷殘余．當(dāng)CNFs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)弱低于1%時(shí)，半導(dǎo)電層的電導(dǎo)以炭黑導(dǎo)電為主，類似于純半導(dǎo)電層的導(dǎo)電機(jī)制，對(duì)電場(chǎng)的削弱作用相對(duì)較小，樣品中空間電荷殘余相對(duì)較多，如圖4（a）～（c）所示；當(dāng)CNFs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%時(shí)，CNFs在半導(dǎo)電層內(nèi)以團(tuán)束狀無規(guī)各向同性分布，CNFs的高電導(dǎo)和高長(zhǎng)徑比的特性改變了半導(dǎo)電層原本的導(dǎo)電機(jī)制，加速了電荷在半導(dǎo)電層中的輸運(yùn)與躍遷，使電荷和電場(chǎng)分布更加平均化，注入的空間電荷量非常有限，短路后樣品中幾乎無空間電荷殘余，如圖4（e）～（f）所示．

圖3 不取向復(fù)合的CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋LDPE絕緣層空間電荷分布

圖4 不取向復(fù)合的CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋LDPE絕緣層短路空間電荷分布

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文中通過實(shí)驗(yàn)制備不取向復(fù)合的CNFs摻雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0．05%、0．1%、0．5%、1%、2%和5%的CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋絕緣層雙層樣片，研究了在施加不同電場(chǎng)情況下CNFS摻雜濃度對(duì)CNFS／LDPE復(fù)合材料空間電荷的影響，得出如下結(jié)論：（1）CNFs／LDPE半導(dǎo)電層＋純絕緣層雙層樣片，CNFs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%不取向的CNFs／LDPE半導(dǎo)電層對(duì)電場(chǎng)的削弱作用相對(duì)較小，樣品中殘余了相對(duì)較多的空間電荷．（2）當(dāng)CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，樣品內(nèi)除陰極附近有微量電荷外，樣品內(nèi)部幾乎無空間電荷分布．

［1］Jokannessor K，Antonischki J，Ericssonk A，et al．The development of an extruded HVDC cable system［C］．Jic 119，Jicable99，Vesailles，F(xiàn)rance，June 20－24，1999：201－205．

［2］屠德民．高壓直流電力電纜的發(fā)展概況［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2001（2）：5－12．

［3］殷之文．電介質(zhì)物理學(xué)［M］．2版．北京：科學(xué)出版社，2003：153－153．

［4］屠德民，劉文斌，莊國(guó)平，等．空間電荷自身反電場(chǎng)的介質(zhì)擊穿理論及電荷發(fā)射屏的研究［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1987，21（4）：1－11．

［5］尹毅，韓社教，屠德民．固體絕緣中空間電荷測(cè)量裝置的研制和應(yīng)用［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000（8）：1－5．

［6］王雅群．高壓直流塑料電纜空間電荷抑制方法研究［D］．上海交通大學(xué)，2009．

［7］蘇宏田，齊旭，吳云．我國(guó)特高壓直流輸電市場(chǎng)需求研究［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2005（24）：1－5．

［8］陳少卿，成霞，王霞，等．聚合物中空間電荷的研究［J］．絕緣材料，2007，40（4）：48－52．

［9］董紅周，郝春成，鄭麗娜．微波法化學(xué)鍍鎳［J］．青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，30（專刊）：114－116．