CNFs取向?qū)NFs/LDPE復(fù)合材料空間電荷的影響

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

0 引言

空間電荷的研究已經(jīng)有二十多年的歷史,空間電荷對絕緣材料的危害已經(jīng)眾所周知[1].高壓直流電纜絕緣材料中的空間電荷特性是制約直流電纜性能的關(guān)鍵因素.研究證明,空間電荷是造成電力電纜電場畸變,引發(fā)局部放電、電樹枝和絕緣擊穿事故的重要原因[2].目前對聚合物中的空間電荷的研究主要集中于抑制介質(zhì)內(nèi)空間電荷的產(chǎn)生及其遷移特性,一般情況下,絕緣材料(如聚乙烯)中的空間電荷主要由2部分組成:一是在較高場強(qiáng)作用下從與介質(zhì)接觸的電極注入的入陷載流子或可遷移的載流子,稱為同極性電荷;另外一部分是在較低場強(qiáng)作用下,介質(zhì)內(nèi)的雜質(zhì)在電場作用下電離并發(fā)生遷移而形成的空間電荷,稱為異極性電荷[3].

國內(nèi)外很多學(xué)者都已經(jīng)做了大量關(guān)于電壓穩(wěn)定劑的研究工作.在無機(jī)粉末摻雜的研究方面,Bambery K R[4]、Khali Salah[5-6]、屠德民[7]等都曾做了相當(dāng)多的工作.雷清泉等人認(rèn)為摻雜無機(jī)粉末改變電老化性能主要是由于提供了深陷阱以及摻雜形成的精細(xì)結(jié)構(gòu)能夠有效抑制樹枝的引發(fā)與生長.T.Takada[8]和Y.Tanaka[9]研究了不同含量的納米MgO對LDPE在高場下的空間電荷分布的抑制,并表現(xiàn)出同極性電荷分布.

本文中研究了取向復(fù)合的CNFs/LDPE半導(dǎo)電層+絕緣層雙層樣片在6種不同濃度下施加不同電場對空間電荷的影響,以便更好地選擇最適合的濃度進(jìn)行摻雜.通過電聲脈沖法(PEA method)研究了純低密度聚乙烯與摻雜不同濃度的半導(dǎo)電屏蔽料復(fù)合后,在外加電場5 kV/mm,15 kV/mm,25 kV/mm以及短路時(shí)空間電荷分布動(dòng)態(tài)變化.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料及樣品制備CNFs:直徑約為200 nm,化學(xué)氣相沉積法制備,并經(jīng)過表面金屬化鍍鎳處理[8];北歐化工Supersmooth LE0500屏蔽料,內(nèi)含炭黑、穩(wěn)定劑及過氧化過氧化二異丙苯(DCP,分子式C18H22O2,相對分子質(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.

將表面金屬化后的CNFs與屏蔽料在110 ℃的開放式煉膠(塑)機(jī)(上海群翼橡塑機(jī)械有限公司)上熔融共混,將混合料用50T型平板硫化機(jī)在175 ℃下熱壓交聯(lián)成型,同時(shí)在磨具兩端施加磁場,此磁場是由兩塊磁力較強(qiáng)的磁鐵,分別吸在模具兩端,產(chǎn)生的磁場使得CNFs在屏蔽料中發(fā)生取向.制的厚度約0.2 mm的樣片,由0.2 mm的納米復(fù)合介質(zhì)和聚乙烯試樣緊貼后,在100 ℃的平板硫化機(jī)熱壓50 s制成雙層介質(zhì)的試樣.本實(shí)驗(yàn)制備了不同CNFs摻雜濃度在磁場作用下一系列樣品的對比.

1.2性能測試樣品在液氮中脆斷并在斷面噴金后,用JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)(日本電子公司)觀察樣品的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及取向情況.用日本生產(chǎn)的PEA空間電荷測試儀,對雙層結(jié)構(gòu)的樣片在室溫下施加5、15、25 kV/mm以及短路時(shí),觀測不同試樣的空間電荷的分布規(guī)律.測量時(shí)間為20 min.

2 結(jié)果與討論

2.1CNFs取向情況表征從CNFs局部放大圖中可以觀察到,CNFs牢牢地從LDPE中伸出,界面處無空隙存在,每根伸出的CNFs粗細(xì)均勻,與基體的結(jié)合較為緊密,由此證明CNFs與LDPE的相容性及粘結(jié)性很好.本圖展示了復(fù)合材料斷面的形貌,CNFs均勻的分散在基體LDPE中,末端大部分延垂直于斷面方向排列,證明CNFs在LDPE中沿著磁場方向發(fā)生取向.

2.2雙層樣片在不同電壓下的分析為了探索空間電荷的特性,本文選擇不同CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣利用電聲脈沖法(PEA)測量空間電荷的分布,加壓時(shí)和短路時(shí)空間電荷分布結(jié)果如圖1和圖2所示.

由圖2可以看出,在25 kV/mm下,摻雜CNFs后的樣品在持續(xù)施加高電場的過程中發(fā)生空間電荷注入、運(yùn)輸以及積累的行為.在樣品中,電荷由陰極遷移到陽極,在遷移過程中,電荷不斷被陷阱所捕獲,以致電荷的幅度逐漸減小,沒有被捕獲的電荷就在陽極中和。從圖中可以看出,CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～2.0%的試樣的空間電荷分布基本相似,在陰極附近有少量的正電荷注入,且隨著CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,在含量為1%時(shí),異極性空間電荷注入達(dá)到最高,這是由于聚合物內(nèi)部的雜質(zhì)或添加劑所形成異極性空間電荷積累所致,陽極附近正空間電荷量逐漸增多,沿厚度方向發(fā)生遷移.空間電荷主要是由于電極注入的電荷及體內(nèi)雜質(zhì)電離產(chǎn)生的電荷陷入聚合物陷阱中形成的。在CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%時(shí),空間電荷包的運(yùn)動(dòng)較為明顯,可以看到空間電荷從陰極運(yùn)動(dòng)到陽極.在取向方向的電導(dǎo)增加,從而使空間電荷沿取向方向容易釋放.從圖上也可以看出,在聚乙烯式樣內(nèi)部存在大量的負(fù)電荷,這符合前人的研究結(jié)論:聚乙烯本身具有負(fù)電子親和性;當(dāng)CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),陰極附近空間電荷量明顯減少,因?yàn)镃NFs的大量摻雜并取向加速電荷遷移中和后,樣品內(nèi)雜質(zhì)等電離出的大量異極性電荷降低了陰極的負(fù)電荷密度,樣品內(nèi)空間電荷遷移中和后以正電荷剩余為主,在樣品內(nèi)部沿厚度方向均勻分布.

圖1 取向復(fù)合的CNFs/LDPE納米復(fù)合材料斷面FE-SEM照片

2.3雙層樣片在短路時(shí)的分析由圖3可以看出,CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.05%～2%時(shí),樣品中最后空間電荷殘余量較少.可能是由于碳纖維取向增加了聚乙烯中的淺陷阱能級,使得空間電荷在碳纖維與碳纖維之間的躍遷距離降低,躍遷勢壘也降低,從而導(dǎo)致短路過程中,空間電荷殘余量較少.隨著CNFs含量添加的增大殘余的空間電荷先減小后增大.在樣品短路5 s后空間電荷都迅速衰減,電極附近的空間電荷密度也迅速降低.從空間電荷衰減的速度可以看出,CNFs的摻雜降低了陷阱能級.當(dāng)向半導(dǎo)電屏蔽料里添加少量CNFs時(shí),其內(nèi)部引入了一定數(shù)量的陷阱,在電場作用下陷阱捕獲自由載流子,減少介質(zhì)內(nèi)部可動(dòng)的電荷,從而抑制了空間電荷的注入,減少了空間電荷的積聚;但當(dāng)CNFs質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí),首先,大量取向CNFs的作用使注入的空間電荷量減少,這是由于一方面可能較多的CNFs引入了大量的陷阱,陷阱密度較大能級較深,捕獲的電荷在短路后不易釋放,另一方面可能由于體效應(yīng)注入的空間電荷在短路時(shí)不易釋放,仍積聚在樣品內(nèi)部,以正電荷為主.在以往的研究中,已得到的單層納米復(fù)合介質(zhì)可以有效消除體內(nèi)的空間電荷,由雙層介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,納米添加改變了載流子的運(yùn)輸方式,一定程度上抑制了空間電荷由電極向絕緣層中的注入.

3 結(jié)論

文中研究了取向CNFs摻雜濃度對CNFs/LDPE復(fù)合材料空間電荷性能的研究.CNFs的摻雜并取向成功改變了載流子在介質(zhì)內(nèi)的輸運(yùn)方式,降低了陷阱能級,使載流子易于沿垂直于厚度方向輸運(yùn),有效抑制了載流子沿厚度方向的注入和空間電荷在介質(zhì)內(nèi)的積聚.半導(dǎo)電層在樣品厚度方向上一定程度地削弱了外加電場,減弱了半導(dǎo)電層與絕緣層界面處的場強(qiáng),減少了陰極注入的空間電荷量,短路后樣品內(nèi)最終殘余少量空間電荷.取向CNFs/LDPE半導(dǎo)電層的添加改變了載流子的輸運(yùn)方式,抑制了空間電荷由電極向絕緣層中的注入.這對于取向CNFs/LDPE復(fù)合材料在高壓直流輸電中的應(yīng)用是非常有意義的.

[1] 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.

[2] Fu M, Dissado L A, Chen G. Space charge formation and its modified electric field under applied voltage reversal and temperature gradient in XLPE cable[J]. IEEE Trans Dielectr Insul,2008,15(3):851-860.

[3] 高超飛,王贊,隋恒,等.交聯(lián)聚乙烯電纜中空間電荷的研究現(xiàn)狀[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(8):29-33.

[4] Bambery K R, Fleming R J. Space charge profiles in planar LDPE with TiO2additive and a temperature gradient[R]. 2001 Annual Report CEIDP,2001:36-39.

[5] Salah Khalil M. The influence of titanium dioxide additive on the short2term DC breakdown strength[C]. conference record of the 1990 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Toronto, Canada,1990:268-271.

[6] Salah Khalil M. The role of BaTiO3in modifying the dc breakdown strength of LDPE[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2000,7(2):261-268.

[7] 李明,尹毅,屠德民.以BaTiO3作為填料改善聚乙烯的空間電荷效應(yīng)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,34(1):84-87.

[8] Hayase Y, Aoyama H, Matsui K, et al. space charge formation in LDPE/MgO nano-composite film under ultra-high DC electric stress[J]. IEEE J Trans FM,2006,126(11):1084-1089.

[9] Takada T, Hayase Y, Takada Y, et al. Space charge trapping in electrical potential well caused by permanent and induced dipoles for LDPE-MgO nanocomposite[J]. IEEE Trans Dielect Electr Insul,2008,15(1):152-160.

[10] 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(?？?:114-116.