中頻變壓器用環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合介質(zhì)的導(dǎo)熱和電氣性能研究

張夢甜， 王國海， 孟繁博， 江 鐵， 洪澤林， 陳向榮

(1. 浙江大學電氣工程學院浙江省電機系統(tǒng)智能控制與變流技術(shù)重點實驗室， 浙江 杭州 310027； 2. 浙江萬馬高分子材料集團有限公司， 浙江 杭州 311305； 3.國網(wǎng)杭州供電公司， 浙江 杭州 310000)

1 引言

中頻變壓器因其體積小、功率密度高等優(yōu)點，在新能源并網(wǎng)、電動飛機和高鐵牽引機車等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。環(huán)氧樹脂(EPoxy resin，EP)作為高功率密度中頻變壓器的主要絕緣材料，在電氣、粘接和化學方面性能優(yōu)異。然而其在傳熱方面表現(xiàn)較差，普通環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率低，通常在0.2 W/(m·K)左右，散熱能力差，因此在中頻工作環(huán)境下容易發(fā)熱，當熱量積聚較多時，容易引發(fā)絕緣的熱擊穿，這嚴重影響了變壓器的使用壽命[2]。

目前對于環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱和散熱能力的改善，普遍采用合成導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的方法。在該方面，國內(nèi)外都進行了廣泛研究：王有元等研究了納米氮化鋁(Aluminum Nitride，AlN)填料表面改性對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、體積電阻率和交流擊穿特性的影響，發(fā)現(xiàn)添加AlN可以提高環(huán)氧樹脂的熱穩(wěn)定性，適量添加3 wt%的AlN可以改善環(huán)氧樹脂的電氣絕緣性能[3]。Wang Feipeng等研究發(fā)現(xiàn)隨著納米氧化鋁(Aluminum Oxide，Al2O3)濃度的增加，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的直流擊穿場強先升高后降低，在Al2O3含量為1 wt%時達到最大值[4]。徐隨春等研究發(fā)現(xiàn)氮化硼(Boron Nitride，BN)含量的增加有助于提高環(huán)氧樹脂/BN復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，且熱分解溫度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢[5]。

當前關(guān)于環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的研究主要集中在導(dǎo)熱以及直流/工頻應(yīng)用背景下的電氣性能研究[6-9]，而對中頻變壓器用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電氣性能的研究還較少。因此本文基于無機納米顆粒BN較高的熱導(dǎo)率以及介電常數(shù)與環(huán)氧樹脂基體接近的特性，制備了不同納米BN含量的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料，通過掃描電鏡分析以及熱導(dǎo)率、體積電導(dǎo)率、中頻擊穿場強和表面電位測試，研究了BN含量對復(fù)合材料的導(dǎo)熱和電氣絕緣性能的影響，為中頻變壓器用環(huán)氧納米復(fù)合材料的設(shè)計和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)實驗依據(jù)。

2 試驗

2.1 試樣制備

試驗所用材料主要有：杭州五會港膠粘劑有限公司生產(chǎn)的雙酚A型環(huán)氧樹脂，江蘇常州潤翔化工有限公司生產(chǎn)的固化劑甲基六氫苯酐、促進劑2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚，上海麥克林生物化學有限公司生產(chǎn)的六方納米BN(平均粒徑30 nm)、氨水，上海邁瑞爾化學技術(shù)有限公司生產(chǎn)的鹽酸多巴胺，上海易恩化學技術(shù)有限公司生產(chǎn)的三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽。

為了增強納米BN與環(huán)氧樹脂基體之間的親和性，填充前首先采用鹽酸多巴胺對納米BN進行表面改性處理，具體步驟如下[8,10]：①配置由去離子水、氨水和三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽組成的緩沖液(pH 8.5)；②10 g BN均勻分散在150 mL緩沖劑和50 mL乙醇的混合溶液中，加入400 mg鹽酸多巴胺；③超聲處理20 min，室溫攪拌6 h；④離心干燥，得到改性BN。利用表面修飾后的納米BN制備環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的過程如下：①改性納米BN分散在環(huán)氧樹脂基料中，超聲處理1 h；②加入固化劑和促進劑，攪拌30 min；③50 ℃脫氣1 h；④80 ℃預(yù)固化2 h，130 ℃固化3 h。

本文采用環(huán)氧樹脂基料、固化劑與促進劑(100∶80∶1)，制備了純環(huán)氧樹脂參考試樣和三種環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料試樣(納米BN含量分別為1 wt%、2 wt%和5 wt%)，制備的圓形片狀試樣直徑為60 mm，厚度約為0.25 mm。

2.2 表征與測試

掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)分析：采用日本日立公司的場發(fā)射掃描電子顯微鏡SU-8010對環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)及納米顆粒的分散情況進行觀察，為更清晰表征，觀察之前先將試樣置于液氮中脆斷，之后采用離子濺射儀對試樣斷口進行噴金處理。

熱導(dǎo)率測試：根據(jù)瞬態(tài)平面熱源法，采用瑞典Hot Disk公司的導(dǎo)熱系數(shù)測試儀TPS 2500 S進行測試。測試時，將聚酰亞胺薄膜探頭置于兩片相同的復(fù)合材料試樣之間，以恒定的功率加熱試樣，記錄探頭表面平均溫度隨時間的變化，由數(shù)學模型可得熱導(dǎo)率，通過三次測試求取平均值。

體積電導(dǎo)率測試：測試系統(tǒng)主要由高壓直流電源(Glassman FJ60R2)、三電極結(jié)構(gòu)、Keithley 6517B電流計和烘箱構(gòu)成。恒溫30 ℃，試樣在20 kV/mm的電場下測試30 min，可計算電導(dǎo)率為：

(1)

式中，σv為試樣電導(dǎo)率，S/m；Iv為電導(dǎo)電流，A；h為試樣厚度，m；U為施加電壓，V；d為測量電極直徑，m。

中頻擊穿測試：采用南京蘇曼等離子體科技有限公司研制的CTP-2000K型正弦交流高壓電源，配合Keysight MSO-X3024A型數(shù)字示波器和 Tektronix P6015A型高壓探頭實時監(jiān)測輸出電壓，實驗線路如圖1所示。參照GB/T1408.1-2016，設(shè)計了中頻擊穿球-板電極結(jié)構(gòu)，球電極和板電極的直徑分別為20 mm和25 mm。為防止絕緣閃絡(luò)，試驗過程中，電極系統(tǒng)置于30 ℃絕緣油中。采用勻速升壓方式，以峰-峰值為1 kV/s的速率升壓，直至試樣擊穿，記錄試樣在6 kHz、8 kHz和10 kHz三種頻率下的擊穿電壓，根據(jù)試樣厚度，計算得到其擊穿場強，每組擊穿試樣12個。

圖1 中頻擊穿實驗線路Fig.1 Test circuit for medium frequency breakdown

表面電位衰減測試[9]：測試系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器(Tektronix AFG3102C)、高壓放大器(Trek-20/20C)、Kelvin探頭、靜電電位計(Trek Model 341B)和導(dǎo)軌構(gòu)成。采用針電極在-8 kV下對試樣電暈充電2 min，柵極電壓設(shè)置為-4 kV，柵極金屬網(wǎng)距離針尖和試樣的距離均為5 mm。充電結(jié)束后，試樣在導(dǎo)軌的帶動下，快速移動至探頭下方，在室溫下測量并記錄40 min的表面電位數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 掃描電鏡SEM

環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的SEM觀察結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，純環(huán)氧樹脂(0 wt%)材料斷面光滑平整，納米顆粒在含量1 wt%及2 wt%的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料中分散均勻，無團聚現(xiàn)象，而5 wt%的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料中出現(xiàn)少許納米顆粒團聚的現(xiàn)象，圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)中的白色圓圈為納米顆粒，白色方框為納米顆粒團聚體。

圖2 環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的SEM觀察圖Fig.2 SEM images of EP/nano-BN composites

3.2 熱導(dǎo)率

圖3為環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的熱導(dǎo)率及提高率。由圖3可知，純環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率最小，為0.27 W/(m·K)。隨著納米BN含量的增加，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的熱導(dǎo)率不斷提高，在納米BN含量為5 wt%時達到最大值0.69 W/(m·K)，相比于純環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率提高了156%。

圖3 環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的熱導(dǎo)率及提高率Fig.3 Thermal conductivity and enhancement rate of EP/nano-BN composites

對于大多數(shù)聚合物來說，其熱傳導(dǎo)主要是由晶格振動的聲子來實現(xiàn)，純環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)無序，聲子散射大，導(dǎo)致聲子的平均自由程很短，因而純環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率較低[11]。納米BN作為一種原子晶體，具有致密的結(jié)構(gòu)、聲子散射小、導(dǎo)熱作用強且熱導(dǎo)率可達200 W/(m·K)，因此引入納米BN有助于改善復(fù)合材料中分子鏈的排列，使熱量沿著填料的晶格快速傳播，促進傳熱，提高熱導(dǎo)率[12]。

3.3 體積電導(dǎo)率

環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料在20 kV/mm下的體積電導(dǎo)率如圖4所示。從圖4中可以看出，純環(huán)氧樹脂的體積電導(dǎo)率為4.87×10-16S/m，隨著納米BN含量的增加，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的體積電導(dǎo)率先減小后增大，在納米BN含量為1 wt%時達到最小值2.34×10-16S/m，相比于純環(huán)氧樹脂的電導(dǎo)率降低了52%。

圖4 環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的體積電導(dǎo)率Fig.4 Volume conductivity of EP/nano-BN composites

通常來說，聚合物絕緣材料在高場強區(qū)的電流特性不再服從歐姆規(guī)律，而是以空間電荷限制電流(Space Charge Limited Current，SCLC)為主。假設(shè)環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料中全部陷阱參與電導(dǎo)過程，根據(jù)SCLC理論[9,13]，有：

(2)

式中，μ為載流子遷移率，m2·V-1·s-1；J為電流密度，A·m-2；ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；εr為相對介電常數(shù)，取εr=3.6。

表1總結(jié)了4種試樣在20 kV/mm下的載流子遷移率。由表1可知，純環(huán)氧樹脂的載流子遷移率為1.87×10-16m2·V-1·s-1，隨著納米BN含量的增加，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的載流子遷移率先減小后增大，與體積電導(dǎo)率變化規(guī)律一致。

表1 環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的載流子遷移率Tab.1 Carrier mobility of EP/nano-BN composites

在電場作用下，電極電荷通過肖特基發(fā)射注入電介質(zhì)內(nèi)部，注入電荷在向陽極輸運過程中，一方面在淺陷阱間通過熱助跳躍方式遷移，另一方面被深陷阱俘獲形成深陷阱電荷，而部分深陷阱電荷發(fā)生熱助脫陷繼續(xù)遷移，由于深陷阱俘獲作用，使得電荷隨著離陰極距離增大而減少；此外，電極附近積累的同極性空間電荷削弱了電極注入電場，使得電荷注入隨著加壓時間延長而減小，當電荷注入與輸運達到動態(tài)平衡，外電路便會形成穩(wěn)定的電導(dǎo)[14]。當納米BN添加量較少時(1 wt%和2 wt%)，納米BN的引入一方面占據(jù)了環(huán)氧樹脂基體中的缺陷，使介質(zhì)的自由體積減少，載流子遷移受到阻礙[15]，另一方面會在復(fù)合材料中形成交互區(qū)，根據(jù)納米復(fù)合電介質(zhì)交互區(qū)結(jié)構(gòu)模型，交互區(qū)中存在大量的深陷阱，使電極附近更多的注入電荷被俘獲，導(dǎo)致注入到介質(zhì)內(nèi)的電荷減少[14]，同時介質(zhì)內(nèi)部更多的輸運電荷被俘獲，電荷傳輸被抑制，導(dǎo)致載流子遷移率降低，從而使得復(fù)合材料的電導(dǎo)率減小。當納米BN含量由1 wt%增至2 wt%時，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的電導(dǎo)率反而提高，這可能與納米BN引入的淺陷阱有關(guān)。當納米BN添加量較多時(5 wt%)，納米顆粒的團聚破壞了材料的均勻度[12]，引入了較多的雜質(zhì)和納孔[14]；此外，交互區(qū)之間發(fā)生交疊，缺陷增多，這增加了復(fù)合材料的淺陷阱密度，載流子更易在淺陷阱間發(fā)生跳躍[14]，從而導(dǎo)致載流子遷移率和電導(dǎo)率大幅提高。

3.4 中頻擊穿特性

對于固態(tài)絕緣來說，Weibull分布被廣泛應(yīng)用于統(tǒng)計分析擊穿數(shù)據(jù)，兩參數(shù)Weibull分布密度表達式為[16]：

(3)

式中，F(xiàn)(E)為在擊穿場強小于或等于E時的失效概率；E為擊穿場強；α為尺度參數(shù)，指失效概率為63.2%時的擊穿場強；β為形狀參數(shù)，β越大，表明數(shù)據(jù)分散程度越小。對式(3)取對數(shù)，整理可得：

ln{-ln[1-F(E)]}=βlnE-βlnα

(4)

令Y=ln{-ln[1-F(E)]}，X=lnE，C=-βlnα，則有：

Y=βX+C

(5)

以X為橫坐標，Y作為縱坐標，可得純環(huán)氧樹脂在10 kHz頻率下?lián)舸﹫鰪姷腤eibull分布線性度檢驗圖如圖5所示。由圖5可知，擊穿場強數(shù)據(jù)樣本點的線性度良好(相關(guān)系數(shù)R=0.960)。不同試樣在不同頻率下的線性相關(guān)系數(shù)均滿足R>0.92，證明了中頻下固體絕緣材料的擊穿場強仍服從兩參數(shù)Weibull分布。

圖5 Weibull分布線性度檢驗圖Fig.5 Weibull distribution linearity test diagram

環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料在三種頻率下?lián)舸y試的兩參數(shù)Weibull分布結(jié)果如圖6所示，取失效概率63.2%對應(yīng)的擊穿場強作為特征擊穿場強，得到統(tǒng)計結(jié)果見表2。由表2可知，不同填料濃度的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料在6 kHz下的擊穿場強最高，分別為63.12 kV/mm(0 wt%)、63.65 kV/mm(1 wt%)、66.14 kV/mm(2 wt%)和63.47 kV/mm(5 wt%)，隨著電壓頻率逐漸升高至10 kHz，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的擊穿場強逐漸下降為59.12 kV/mm(0 wt%)、60.01 kV/mm(1 wt%)、62.59 kV/mm(2 wt%)和59.89 kV/mm(5 wt%)。在不同頻率下，純環(huán)氧樹脂材料的擊穿場強最低，分別為63.12 kV/mm(6 kHz)、61.61 kV/mm(8 kHz)和59.12 kV/mm(10 kHz)，隨著納米BN含量逐漸增加至5 wt%，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的擊穿場強呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，在納米BN含量為2 wt%時達到最大值66.14 kV/mm(6 kHz)、63.27 kV/mm(8 kHz)和62.59 kV/mm(10 kHz)。

因此，對于環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料試樣，隨著電壓頻率的升高，試樣的擊穿場強隨之下降。分析認為，當頻率f升高時，介質(zhì)內(nèi)部分子極化因跟不上電場變化而受到抑制，導(dǎo)致介電常數(shù)ε減小而介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ增大，使介質(zhì)損耗P(P∝fεtanδ)迅速增加，介質(zhì)發(fā)熱嚴重[2,17]；其次，頻率的升高使得電極附近電荷注入和抽出更加頻繁，復(fù)合作用劇烈，釋放的能量更多[18]，而且一個周期內(nèi)未復(fù)合的殘余電荷更多，使得下一個周期的注入電場得到加強[19]；此外，隨著頻率的升高，介質(zhì)內(nèi)部局部放電更為激烈，當介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱量大于散熱量時，介質(zhì)溫度將升高，這會引起介質(zhì)分解、碳化，同時，溫度的升高增大了介質(zhì)內(nèi)部的自由體積，導(dǎo)致電子的平均自由行程加長，從而使電子獲得更多的能量撞擊分子鏈，降低了擊穿場強[18]。

在不同頻率下，當納米BN添加量較少時(1 wt%和2 wt%)，隨著納米BN濃度的增加，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料試樣的擊穿場強不斷提高，即擊穿場強與納米BN填料濃度呈現(xiàn)正相關(guān)特性；而當納米BN添加量增加至5 wt%時，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的擊穿場強反而下降，但仍高于純環(huán)氧樹脂。納米BN能夠提高復(fù)合材料擊穿場強的主要原因是：納米BN的引入提高了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率λ，導(dǎo)致介質(zhì)的散熱量Q(Q∝λ)增加，進而延長熱平衡破壞的時間，提高了擊穿場強；其次，由于擊穿通常發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)最薄弱處，納米BN的引入填充了環(huán)氧樹脂基體內(nèi)的缺陷與間隙，提高了復(fù)合材料的均勻度[12]，同時抑制了分子鏈的運動，使介質(zhì)內(nèi)部的自由體積減小，這縮短了電子運動的平均自由行程，進而提高了擊穿場強[20]；此外，納米BN與環(huán)氧樹脂基體間形成的交互區(qū)對載流子具有散射和入陷作用，散射作用有助于消耗載流子能量，使載流子碰撞引起介質(zhì)降解的概率降低[21]，而深陷阱對載流子的捕獲作用導(dǎo)致載流子的平均自由行程減小，使其運動能量積累降低，減弱了對分子鏈的撞擊，從而提高了擊穿場強[22]。由以上分析可知，納米BN的引入主要通過改變熱導(dǎo)率、自由體積以及交互區(qū)來影響環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的擊穿特性，添加1 wt%和2 wt%納米BN后，由于納米顆粒濃度較低，交互區(qū)間彼此分立，而且隨著納米BN

圖6 環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料中頻擊穿場強的兩參數(shù)Weibull分布Fig.6 Two-parameter Weibull distribution of medium frequency breakdown strength of EP/nano-BN composites

表2 環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的特征擊穿場強Tab.2 Typical breakdown strength of EP/nano-BN composites (單位：kV/mm)

含量的增加，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率不斷提高，自由體積不斷減小，交互區(qū)不斷增多，因而擊穿場強也隨之不斷提高；而當納米BN添加量由2 wt%增至5 wt%時，部分納米顆粒出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，交互區(qū)發(fā)生交疊，缺陷增多，材料均勻度變差，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的擊穿場強有所降低。

為了更好地描述納米BN提升環(huán)氧樹脂擊穿場強的幅度，定義納米復(fù)合材料與基體材料的擊穿強度比值為擊穿比例系數(shù)k。表3總結(jié)了k與填料濃度及頻率之間的關(guān)系。由表3可知，k≥1，其隨著填料濃度的增加先增大后減小，同時隨著頻率提高，整體上呈現(xiàn)出增大的趨勢。這表明：納米BN的添加提高了環(huán)氧樹脂的中頻擊穿場強，同時有助于緩解頻率引入帶來的負面影響，即降低了擊穿場強隨頻率增加而減少的幅度。

表3 環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的比例系數(shù)Tab.3 Proportion factor of EP/nano-BN composites

3.5 表面電位衰減

圖7為環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料在負電暈放電時的表面電位衰減情況(取表面電位的絕對值)。由圖7可知，對于四種復(fù)合材料來說，其初始表面電位并不相同，純環(huán)氧樹脂的初始電位最低，為2 001 V，并且隨著時間增加而快速降低，40 min后降為914 V。隨著納米BN含量的增加，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的初始電位不斷提高，在5 wt%納米BN添加時達到最大值3 236 V，然而經(jīng)過40 min衰減，納米BN含量為1 wt%的復(fù)合材料的表面電位值最高，為2 008 V。

圖7 環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的表面電位衰減Fig.7 Surface potential decay of EP/nano-BN composites

為了衡量表面電位衰減的快慢，定義40 min內(nèi)表面電位變化數(shù)值與初始表面電位的比值為電位消散率D，即：

(6)

式中，V0為初始表面電位值，單位為V；V40 min為40 min時的表面電位值，單位為V。

純環(huán)氧樹脂、含量為1 wt%、2 wt%和5 wt%納米BN的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的電位消散率分別54.3%、15.1%、32.6%和51.5%。隨著納米BN含量的增加，電位消散率先減小后增大，其中純環(huán)氧樹脂的電位消散率最大，對應(yīng)的電位衰減速度最快，這表明納米BN的添加緩解了環(huán)氧樹脂表面電位的衰減速度。對于純環(huán)氧樹脂、含量為1 wt%和2 wt%納米BN的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料而言，可以發(fā)現(xiàn)，電位消散率的變化規(guī)律與體積電導(dǎo)率相一致，即電導(dǎo)率越大，電位消散率越大，同時電位衰減越快。茹佳勝等將介質(zhì)等效為電阻R與電容C并聯(lián)的模型，初始表面電位用并聯(lián)模型兩端的電壓進行表征，因此表面電位衰減過程可以近似等效為一階RC電路的零輸入響應(yīng)，電壓衰減速度取決于時間常數(shù)τ(τ=RC∝ε/σ)，其中，σ為電導(dǎo)率。相應(yīng)地，介質(zhì)的體積電導(dǎo)率越大，其表面電位衰減速度越快[23]，其定性分析結(jié)果與本文測試結(jié)果相一致。而對于含量5 wt%納米BN的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料，其電導(dǎo)率遠大于純環(huán)氧樹脂，衰減率卻略小于純環(huán)氧樹脂，并不適用于上述分析。

電極電暈放電產(chǎn)生的載流子在電場作用下遷移至試樣表面并沉積，不考慮表面?zhèn)鲗?dǎo)和氣體中和等方式，認為沉積電荷僅通過體內(nèi)輸運的方式進行衰減，即電荷遷移、入陷、脫陷等過程。假設(shè)脫陷的載流子不再入陷，則陷阱能級和陷阱密度可表示為[9,24,25]：

Et=kBTln(vt)

(7)

(8)

式中，Et為陷阱能級，單位為eV；kB為玻爾茲曼常數(shù)，kB=8.617×10-5eV/K；T為絕對溫度，T=303 K；v為電子振動頻率，取v=3×1012s-1；t為時間，單位為s；N(Et)為陷阱密度，單位為m-3·(eV)-1；f0(Et)為初始電子占有率，取f0(Et)=1；b為表面電荷層厚度，取b=2×10-6m；q為電子電量，q=1.6×10-19C；V為表面電位，單位為V。

圖8給出了環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料陷阱能級和陷阱密度的變化規(guī)律。由圖8可以看出，純環(huán)氧樹脂材料淺、深陷阱能級分別為0.88 eV和0.99 eV。當納米BN含量為1 wt%時，深陷阱能級提高至1.01 eV，深陷阱密度提高到1.08×1019m-3·(eV)-1；對陷阱能級曲線進行分峰擬合處理(見圖8)，可以發(fā)現(xiàn)，淺陷阱密度較少，導(dǎo)致淺陷阱峰在總陷阱分布中并不明顯。當納米BN含量進一步增加至2 wt%時，陷阱的能級密度增加。當納米BN含量繼續(xù)增加至5 wt%時，淺陷阱密度大幅提高，深陷阱能級降低至0.98 eV。

圖8 環(huán)氧樹脂/納米EP復(fù)合材料的陷阱特性Fig.8 Trap characteristics of EP/nano-BN composites

當納米BN添加量較少時(1 wt%和2 wt%)，納米BN的添加增加了深陷阱能級與密度，一方面有助于電極注入的載流子被俘獲，使載流子被限制在介質(zhì)表面形成同極性電荷，這削弱了電極附近的電場，進而限制了載流子的注入[26]；另一方面，深陷阱對介質(zhì)體內(nèi)載流子的入陷和散射作用抑制了載流子的輸運，使介質(zhì)的載流子遷移率和電導(dǎo)率降低，導(dǎo)致表面電位衰減速度減緩。與含量為1 wt%的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料相比，當納米BN含量為2 wt%時，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料的淺陷阱密度增加，這減小了淺陷阱間的平均距離，使載流子更易在陷阱間跳躍[14]，從而導(dǎo)致載流子遷移率、電導(dǎo)率以及表面電位衰減速度增大；然而擊穿場強卻提高，這與其具有更高的熱導(dǎo)率及雜質(zhì)濃度有關(guān)：更高的熱導(dǎo)率增加了介質(zhì)的散熱量，更高的雜質(zhì)濃度減少了介質(zhì)的自由體積以及增加了交互區(qū)數(shù)量，使得電子的平均自由行程縮短、運動能量降低，從而提高了其擊穿場強。當納米BN含量由2 wt%增加至5 wt%時，環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料中出現(xiàn)少量大尺寸的納米顆粒團聚體，交互區(qū)之間發(fā)生交疊，引入的缺陷增多，使得淺陷阱密度增加，深陷阱能級減小，從而導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪娪兴档?，載流子遷移率、電導(dǎo)率和表面電位衰減速度大幅提高。

4 結(jié)論

本文基于鹽酸多巴胺改性的納米BN，制備了三種不同質(zhì)量分數(shù)的環(huán)氧樹脂/納米BN復(fù)合材料試樣，研究了試樣的熱導(dǎo)率、體積電導(dǎo)率、中頻擊穿場強及表面電位衰減特性，得出如下結(jié)論：

(1) 當納米BN含量較少時(1 wt%和2 wt%)，改性的納米BN在環(huán)氧樹脂中均勻分散，無團聚現(xiàn)象；而當納米BN含量達到5 wt%時，部分納米顆粒出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。納米BN含量的增加有助于提高試樣的熱導(dǎo)率，其中添加5 wt%納米BN后，環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率提升了156%。

(2) 少量納米BN 的引入降低了環(huán)氧樹脂的體積電導(dǎo)率和載流子遷移率，添加1 wt%納米BN的環(huán)氧樹脂絕緣性能最佳；而添加5 wt%的納米BN后，環(huán)氧樹脂的體積電導(dǎo)率和載流子遷移率大幅提高。納米BN有助于提高環(huán)氧樹脂的中頻擊穿場強，含量2 wt%的環(huán)氧樹脂擊穿特性最優(yōu)。

(3) 電壓頻率的升高降低了試樣的擊穿場強，而納米BN的引入有助于減緩擊穿場強的下降趨勢，并且能夠降低表面電位衰減的速度。因此，引入少量的納米BN 對提高中頻變壓器用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱和電氣性能具有積極作用。