增强聚合物耐高电压绝缘击穿性能的方法

      绝缘材料被击穿主要包括热击穿和电击穿。热击穿是指是载流子在绝缘聚合物基体中的运动，同时也以热量的形式传递。当热量达到一定值后，破坏了基体原有的结构，电子穿过材料，最终绝缘材料的绝缘性能丢失。热击穿和温度密切相关，且随着温度越高，热击穿也会发生的更容易。此外，绝缘材料的散热性也会影响到发生热击穿的可能性，散热性不好的材料会导致热量在绝缘材料内部积聚，最终导致击穿性能下降。

      耐电击穿是材料的一种固有性质，即在高电压下，电荷被注入到绝缘材料中或加速载流子在绝缘材料中的迁移，绝缘基体很快被击穿，此时测得材料可耐受的最大击穿电压。如图1所示，阐述了电荷在分子链上不断的被运输传递，到最终被击穿的过程。

图1电荷在分子链上的运输及击穿过程

1、增强聚合物耐高电压绝缘击穿性能的方法：

       如图2所示，聚合物高电压绝缘性能与分子链内部结构有很重要的联系。聚合物内部的自由体积被认为对击穿性能有作用。所以减少聚合物内部的自由体积是提高绝缘性能的一种方法。另一种可行的方案是能在基体中添加可阻碍或捕获电子或离子的填料，从而减小基体中电荷的积累。

图2材料内分子链在电场作用下定向运动示意图

1.1微/纳米颗粒：

        微米颗粒的作用机理，主要是形成物理交联点，阻碍载流子在聚合物内部的传递。但是在OZaICI等的科研报告中得出，二氧化硅微米级填料掺杂进入环氧树脂后，结果明显削弱了复合材料的耐击穿性能。一些报道中也提到，较低含量的纳米填料是如Ti02} Mg0[I0I)} A1203，可以提高聚合物的电场击穿强度，主要的机理归因于两种途径:<1)纳米填料导致电子击穿的曲折路径。(2)纳米填料通过向聚合物中引入了深陷阱来捕获电子。基体中引入纳米颗粒后，如图1.4所示，纳米颗粒与环氧基体形成的大量界面，可以在电场作用下，作为深陷阱束缚载流子。在基体中的载流子无法越过深陷阱的能垒，只能在更高电压下被击穿。所以纳米颗粒来增强聚合物绝缘性能是有效的，但由于纳米颗粒超高的表面活性能，不易分散，限制了纳米颗粒掺杂的质量。

图3纳米复合材料内部分子链在电场作用下的运动行为

1. 2电压稳定剂：

       一般地，电压稳定剂结构中的共扼结构大二键，相比较聚合物基体含有亲电子基团，也更有利于分散电子的能量。具有以上功能的芳香类化合物具有捕获电子的能力。在加速电场下，电子不断积聚能量而高速运转，如图1.5所示，此时电压稳定剂可以捕捉这种不断积累碰撞的电子，避免了电子在碰撞间产生的二次电子，最终有效增强材料的电击穿耐受性。

图4电压稳定剂俘获载流子的示意图

        但是不足的是，电压稳定剂是一种小分子有机物，与聚合物基体的相容性差。在使用过程中，在基体中易发生迁移，从而不能有效的在基体中发挥作用。因此，将电压稳定剂分散并固定在聚合物基体中是十分重要的。

1.3环氧树脂基纳米复合材料在高电压绝缘领域的应用

      环氧树脂的结构稳定，可加工性良好，近年来，环氧基纳米复合材料因性能优越、轻便质小，被大量应用于多个领域。其中，由于具备优质的电绝缘性能，在电子元器件和线路绝缘，电机电气密封绝缘器件以及电子电气甚至在半导体器件的封装方面得到了大量的应用。近年来，电子级环氧树脂更是被广泛应用于特高压绝缘电力系统中，避免了体系因绝缘失效造成的事故。环氧树脂绝缘性能的提高保证了高压设备的可靠性运作，作为绝缘保护材料在其中扮演着越来越重要的角色。微助米技术的引入解决了许多关键性问题，如环氧树脂绝缘材料力学强度和电绝缘性能的进一步提高。值得注意的是，在高电压使用过程中，对环氧基绝缘材料的性能指标有了更为严苛的要求。一般情况下，通过耐电压击穿场强，体积电阻率以及与介电相关的参数来反映材料的电绝缘性能的优劣。

图5纳米改性聚合物绝缘特性