本篇文章目录导航：[]硅橡胶复合材料电气性能探讨[第一章]硅橡胶纳米材料电气老化情况探究绪论[第二章]硅橡胶基纳米复合材料的制备与电老化实验方法[第三章][第四章]电老化对硅橡胶基纳米复合材料空间电荷特性的影响[结论-参考文献]硅橡胶合成材料电化性能探析结 更多精彩就在： 51免费论文网|www.jxszl.com 
论与参考文献第3章电老化对硅橡胶基纳米复合材料电导率和击穿特性的影响本章主要对未老化以及老化时间分别为720h.1440h和2160h的纯硅橡胶以及硅橡胶纳米复合材料,在测试温度为30℃.50℃和70℃条件下进行电导率测试以及直流击穿测试,并对实验结果进行对比剖析,比较纯硅橡胶以及硅橡胶纳米复合材料的电导特性和击穿特性在老化后的变化趋势.3.1电老化后硅橡胶基纳米复合材料的电导率特性.3.1.1实验方法.本章通过对硅橡胶纳米复合材料和纯硅橡胶在不同老化时间.不同测试温度下进行电导率测试,得到两种材料的电导率与电场强度的关系.测试时,直流电源采用天津市恒博高压电源有限公司生产的型号为HB-Z103-2AC的直流高压电压源,最大输出电压是15kV,电压连续可调；电流测试采用北京华晶汇科技有限公司制造的型号为EST122的微安表,测量精度可达10-15A；电极采用三电极测试系统,其中高压电极直径是75mm,被保护极的直径是50mm,保护电极与被保护电极之间的间隙是2mm；在测试温度对复合材料电导特性的影响时,将整个电极系统放置于烘箱中,保持实验过程中烘箱的控温精度为±1℃.在实验过程中,由于存在水分及试样内部电荷的影响,将事先处理的试样放入电热真空干燥箱干燥短路,然后以鼓风烘箱为屏蔽箱,将贴有铝箔电极的试样,放入三电极测试系统中后,将烘箱温度升至测试温度并保持2h,以使试样内部温度及测试环境温度维持在恒定值,减少实验误差.在恒定电压的作用下,施加电压初期,流经被测试电介质的电流由三部分组成,即位移极化引起的瞬时电流,松弛极化引起的松弛电流和电导电流.随着时间的增加,电流由大到小变化,最后达到一个稳定值,即电导电流.测量时,取四个相同种类试样并记录试样厚度,每隔10min测量并记录一次电压电流数据.测量系统如图3-1所示：3.1.2实验结果.当测试温度为30℃时,不同电老化时间的硅橡胶纳米复合材料及纯硅橡胶电导率与场强的关系曲线如图3-2a)所示,可以看出,随着老化时间的增加,纯硅橡胶的电导率呈增大的趋势,当电老化时间为700h.1400h和2100h时,纯硅橡胶电导率相比于未老化时分别增长约2.8倍.4.4倍和6倍,硅橡胶纳米复合材料的电导率相比于未老化时,分别增长约5.8倍.7.2倍和9倍；由于在实际应用当中,高压直流电缆附件的工作温度可达70℃,因此其绝缘中存在较大的温度影响因素,所以在高压直流电缆附件绝缘材料的研制过程中,温度变化对其电导特性的影响不能被忽略.因此需要对纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料试样在测试温度分别为50℃和70℃的条件下进行电导率的测试,同时测试了电老化前后硅橡胶纳米复合材料和纯硅橡胶的电导率随电场强度变化的关系曲线如图3-2b)和c)所示,可以看出,在测试温度为50℃时,电老化时间为720h.1440h和2160h时,纯硅橡胶的电导率分别增长约2.6倍.3.5倍和5倍,硅橡胶纳米复合材料在10kV/mm电场强度下,电导率增长约6.9倍.8.4倍和10倍,同时在大于10kV/mm的较高电场下,硅橡胶纳米复合材料的电导率增加速率随电场强度增大而增大；当测试温度升高到70℃时,纯硅橡胶和硅橡胶纳米复合物的电导率曲线变化与50℃相似,电老化时间为720h.1440h和2160h时,纯硅橡胶的电导率分别增长约2.8倍.3.9倍和6倍,硅橡胶纳米复合材料在10kV/mm的电场强度下,电导率增长约7.3倍.9.2倍和11.4倍,在大于10kV/mm的较高电场下,硅橡胶纳米复合材料的电导率增加速率随电场强度增大而增大.由实验结果可知,掺杂纳米材料所制成的复合材料具有电导非线性特征,原因可能如下：由于向基体(硅橡胶)掺杂的填料(石墨和炭黑)均为导电材料,所以填料中载流子浓度远大于基体中的载流子,认为复合物中的载流子主要是由填料提供的,当填料与绝缘材料基体共混形成复合材料时,复合材料中载流子在电场作用下必须经过聚合物基体.填料以及基体和填料间的界面才能形成电流.当对复合材料施加外电场时,由于在填料内的导电过程是最容易的,而在聚合物基体中和聚合物与填料间界面的导电过程相对较难,所以复合材料的电导特性主要取决于聚合物基体和聚合物基体与填料间界面.界面上具有一定接触势垒,在无外电场作用或外电场很低时,填料中的载流子漂移到界面处时,大部分能量较低的电荷被界面所捕获,只有一部分能量较高的载流子会由于热运动越过势垒,越过势垒的载流子在聚合物薄层中漂移时也会被聚合物内部陷阱所捕获,最终越过聚合物基体和界面的载流子非常少,所以无外电场作用或电场强度很低时,材料电导率很低；而当电场强度不断增加到某一阈值时,界面势垒的高度发生倾斜程度增加,越过界面势垒的载流子增加,从而造成电流的迅速增大,复合材料的电导率随电场强度的增加急剧上升,表现出非线性.由图3-2a).b)和c)对比可知,随着测试温度的升高,纯硅橡胶和硅橡胶纳米复合材料的电导率都增大,其原因可能是,当温度升高时,分子热运动变得剧烈,电极的注入.介质表面电子的跃迁都导致材料内部载流子浓度提高,所以当随着测试温度的增加,两种材料的电导率均增加.实验结果表明,纯硅橡胶和硅橡胶纳米复合材料电导率均随电老化时间的增加而增大,并且,纯硅橡胶电导率的增长速度与硅橡胶纳米复合材料相近.其原因可能是：探究表明,纳米粒子的添加会引入新的陷阱,这些陷阱是以纳米粒子为中心的.那么与纯硅橡胶相比,硅橡胶纳米复合材料也会因为纳米粒子的存在而引入更多的陷阱,同时在电场长期作用下聚合物容易发生化学结构降解,导致新陷阱的产生,因此在电老化过程中,随着老化时间的增加,新产生的陷阱也随之增加.由文献[45]可知,聚合物的电导反映了电场下载流子的输运过程,文献中通过计算聚合物的陷阱能级分布可知,在电老化过程中,随着老化时间的增加,陷阱密度和深度呈增大趋势,导致被捕获的电荷增多,引起载流子迁移增加,因此电导电流随着电场作用时间的增长而增大.所以随着老化时间的增加,纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料的电导率均增加.3.2电老化后硅橡胶基纳米复合材料的直流击穿特性.当电介质被施加的电场增强到某个临界值时,电介质的电导突然剧增,电介质便由绝缘状态变为导电状态,这一现象称为电介质的击穿.直流击穿特性是绝缘材料的基本电性能之一,它决定了绝缘材料在电场作用下保持绝缘性能的极限能力,并且能够直接反映其绝缘性能的变化.因而测试硅橡胶纳米复合材料电老化后的直流击穿强度可表征其电老化程度.本章测试纯硅橡胶试样及硅橡胶纳米复合材料试样在不同老化时间.不同测试温度下的直流击穿强度,根据测试结果绘制Weibull分布图,得出击穿场强,并对结果进行剖析.3.2.1实验方法.实验系统如图3-3所示,所选电极为圆柱形铜电极,上电极直径为25mm,与高压直流电源直接相连,下电极直径为75mm,与接地线相连接,实验开始前首先将试样放入真空烘箱中预处理24小时,目的是消除水分的影响,开始实验后,将试样及电极一整套装置放入装有变压器油的油杯中,然后将油杯放入油浴箱中,油浴箱温度分别设为30℃.50℃及70℃.测试装置中配备的高压直流电源,最大输出电压为60kV,加压过程采用手动加压,加压速度为0.5kV/s,加压至被测试样发生击穿为止.为减小实验误差,每次测量选取16个试样,记录每个试样的击穿电压,并测量击穿点附近的平均厚度,计算出每个试样的击穿场强,对结果进行Weibull分布处理.3.2.2实验结果.纯硅橡胶及硅橡胶纳米复合材料在不同老化时间的直流击穿场强如图3-4.由图3-4a)可知,当测试温度为30℃时,老化时间700h.1400h.2100h后的纯硅橡胶的击穿场强分别为74.36kV/mm.68.58kV/mm和63.39kV/mm,较未老化时分别下降了6.51%.13.80%和20.32%,硅橡胶纳米复合材料的击穿场强分别为61.10kV/mm.55.58kV/mm和50.93kV/mm,较未老化时分别下降了5.58%.14.11%和21.30%；由图3-4b)可知,当测试温度为50℃时,老化时间700h.1400h.2100h后的纯硅橡胶的击穿场强分别为72.52kV/mm.66.99kV/mm和59.94kV/mm,较未老化时分别下降了4.74%.12.32%和21.54%,硅橡胶纳米复合材料的击穿场强分别为56.80kV/mm.53.17kV/mm和49.55kV/mm,较未老化时分别下降了9.24%.15.04%和20.82%；由图3-4c)可知,当测试温度为70℃时,老化时间700h.1400h.2100h后的纯硅橡胶的击穿场强分别为70.52kV/mm.63.98kV/mm和58.57kV/mm,较未老化时分别下降了3.33%.12.30%和19.71%,硅橡胶纳米复合材料的击穿场强分别为55.69kV/mm.50.88kV/mm和48.57kV/mm,较未老化时分别下降了5.98%.14.10%和18.01%.由实验结果可知,在硅橡胶基体中掺杂纳米石墨.纳米炭黑所制成的硅橡胶纳米复合材料的击穿场强在相同老化时间.相同测试温度下要低于纯硅橡胶,其原因可能是由于所添加的纳米石墨.纳米炭黑均为导电材料,掺杂到硅橡胶基体中后,纳米石墨.纳米炭黑在硅橡胶基体中可能会相互接触,从而形成局部导电通道,导致硅橡胶纳米复合材料击穿场强降低,所以硅橡胶纳米复合材料的击穿场强在相同老化时间下要小于纯硅橡胶.同时,由图3-4中a).b)和c)对比可知,同30℃相比,当温度升高到50℃和70℃,在未老化时,纯硅橡胶分别下降了4.0%.8.3%,硅橡胶纳米复合材料分别下降了3.3%.8.4%,老化720h后,纯硅橡胶的直流击穿场强分别下降了2.1%.5.2%,硅橡胶纳米复合材料分别下降了7.0%.8.9%,老化1440h后,纯硅橡胶的直流击穿场强分别下降了2.3%.6.7%,硅橡胶纳米复合材料分别下降了4.3%.8.5%,老化2160h后,纯硅橡胶的直流击穿场强分别下降了5.4%.7.6%,硅橡胶纳米复合材料分别下降了2.7%.4.6%.据实验结果可知,在相同老化时间下,纯硅橡胶及硅橡胶纳米复合材料的直流击穿强度随着测试温度的升高,均呈逐渐降低的趋势,可能是因为测试温度的升高,使材料内部分子热运动加剧,载流子迁移率增加,载流子获得更高的能量,温度升高使电子运动加剧,发生碰撞的几率升高,加速了局部导电通道的形成,使材料更容易受到破坏,所以两种材料的击穿场强均下降.由实验结果可知,随着老化时间的增加,硅橡胶纳米复合材料与纯硅橡胶的直流击穿场强均减小,其原因可能是在电场的长期作用下,导致聚合物的降解,生成小分子产物,形成局部低密度区,低密度区的不断扩大,破坏了材料原本的结构,更容易发生击穿,所以,随着老化时间的增加,纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料的击穿场强均下降.由老化时间对纯硅橡胶及硅橡胶纳米复合材料直流击穿场强的影响可知,相同测试温度下,纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料在电老化相同时间后,直流击穿场强均减小,为了更清晰的看出两种材料的击穿场强随老化时间的变化趋势,绘制出图3-5.由图3-5可知,在相同测试温度下,随着老化时间的增加,纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料的直流击穿场强均呈下降的趋势,且下降程度相近.所以,硅橡胶纳米复合材料在经过电老化不同时间后,其击穿性能变化程度依然与纯硅橡胶相近.3.3本章小结.本章探究不同老化时间对纯硅橡胶及硅橡胶纳米复合材料电导率特性的影响,并对实验结果进行对比剖析,实验结果表明：随着老化时间的增加,纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料的电导率均增大,且纯硅橡胶的电导率性能变化程度略小于硅橡胶纳米复合材料,硅橡胶纳米复合材料依然具有非线性,同时测试温度的增加也导致纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料的电导率增加.其次探究不同老化时间对纯硅橡胶及硅橡胶纳米复合材料直流击穿特性的影响,并运用Weibull分布对击穿数据进行处理后对实验结果进行对比剖析,实验结果表明：在硅橡胶基体中掺杂纳米石墨.纳米炭黑所制成的硅橡胶纳米复合材料的击穿场强在相同老化时间.相同温度下小于纯硅橡胶,并且随着老化时间的增加,纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料的击穿场强均减小,同时,测试温度的增加也导致纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料的击穿场强均减小.纯硅橡胶与硅橡胶纳米复合材料的直流击穿场强下降程度相近.所以,硅橡胶纳米复合材料在经过电老化不同时间后,其击穿性能变化程度依然与纯硅橡胶相近.
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