复合材料的介电强度研究（电压击穿试验仪）

纳米复合材料的介电强度研究：

图1给出了三种纳米复合材料的特征击穿强度与纳米颗粒含量的关系。可以看出，纳米复合材料的特征击穿强度的总体变化趋势是相似的，即随着纳米颗粒的增加都呈逐渐下降趋势。但也可以看出，纳米颗粒的表面改性或相容剂的引入都对复合材料的特征击穿强度产生了影响。非常有意义的一点是，当纳米颗粒的浓度超过14％时，只有复合材料Ss仍然保持一定的介电强度。

图1

金属颗粒是绝缘材料中的主要电缺陷之一，他们的引入是造成聚乙烯的介电强度减小的主要原因。在电场下，纳米金属颗粒具有增强局部电场的作用，可以使颗粒周围的电场远远超过绝缘材料的介电强度，因而引发绝缘基体的击穿。在这里我们主要讨论具有相同纳米颗粒含量的复合材料的介电强度，找到影响复合材料介电强度的主要因素。

金属颗粒的电场增强作用可以通过电场增强因子乘以拉普拉斯应力来进行描述。对于一个颗粒填充的绝缘体体系而言，材料的介电强度与颗粒的介电常数以及颗粒的形状因子有关。

根据图2，可以看出金属颗粒造成的局部电场增强与纳米颗粒的形状因子密切相关。除了形状因子，颗粒造成的局部电场增强与颗粒的尺寸也有重要的关系，颗粒尺寸越大，电场增强越明显。综合考虑以上两种因素，纳米颗粒的表面处理或相容剂的引入改善了纳米复合材料的介电强度的原因是，这些手段改善了纳米颗粒的分散状况（包括纳米颗粒团簇的大小以及形状因子）。

图2

微观结构分析的结果很好地支持了上述结论。根据第四章中图4，11的结果，纳米颗粒经过表面化学处理以后，分散性得到了较大程度的改善，不仅纳米颗粒团簇的尺寸较小，而且纳米颗粒团簇的形状也比较接近球形。相比之下，相容剂的引入则有限地改变了纳米颗粒的分散，如图5，9所示。纳米颗粒的浓度低于14％时，颗粒的分散性要好于复合材料Ns。但颗粒浓度超过14％时，纳米颗粒的分散性反而变的比复合材料Ns更差，不仅出现了大量的大尺寸的纳米颗粒团簇，而且这些团簇具有非常不规则的形状、彼此之间互相接触。这也就说明了为什么当颗粒的浓度低于14％时，纳米复合材料Ls的介电强度高于复合材料Ns，而当颗粒浓度超过14％时，纳米复合材料Ls失去了介电强度。纳米颗粒含量较高时，纳米颗粒之间的平均距离很小，彼此之间有很强的相互作用，相容剂很难起到分散纳米颗粒的目的，这说明，采用相容剂分散纳米颗粒的办法，只适用于纳米颗粒的浓度比较低的情况。

在weibull统计参数中，E0和β分别代表特征击穿强度以及介电强度分散因子，E0值越大，表示击穿强度越高；β越小表示击穿强度越分散。因为击穿强度的分散直接与材料结构的均一性有关，所以β值可以用来评价复合材料的微结构－颗粒的分散情况。图3给出了纳米颗粒含量为8％的三种复合材料的击穿强度的weibull分布曲线。根据计算，PE，S-8，L-8和N-8的β值分别为11，58，11，34，10，14以及6，39，复合材料N-8的β值低，这说明介电强度的分散最为严重、纳米颗粒的分散性最差，这与复合材料的微结构分析结果是一致。

图3

另一个影响复合材料介电强度的因素是金属颗粒与聚合物基体间的界面粘结。纳米颗粒经过表面化学改性以后，颗粒表面化学吸附的辛基硅烷与聚合物基体之间具有很好的相容性，因此金属颗粒与聚合物基体之间的粘结性好，存在微孔等缺陷的机会大大减少，这是纳米复合材料Ss介电强度增强的原因之一[4]。对于纳米复合材料Ls而言，低浓度时，相容剂的引入改善了纳米颗粒与聚合物基体间的粘结性，这可能是纳米复合材料Ls介电强度增强的主要原因之一。值得注意的时，在非常低的浓度下（1％和2％），纳米复合材料Ls的特征击穿强度要高于纳米复合材料Ss，这可能是由于极性相容剂的引入造成的。研究表明，极性聚合物的加入可以提高非极性聚合物的介电强度，机理是极性基团的引入可以较大程度的减小材料内部的有效电场强度，极性聚合物可以增强对电子的散射等。

介电击穿可以看作是电子或离子等载流子造成的介质的破坏，也就是载流子在电场的作用下破坏晶格中的化学键或打断分子链[9]。对于聚乙烯等类似的非极性聚合物，其内部的载流子密度很小，因此外部引入的载流子对聚乙烯的击穿强度可能有较大的影响。图4给出了三种纳米复合材料的直流电导与颗粒浓度的关系。可以看出，纳米颗粒的引入明显得增加了聚合物材料的电导。纳米颗粒浓度低于10%时，复合材料具有相同的电导，而纳米颗粒的浓度高于10%时，复合材料Ns具有比复合材料Ss高的多的电导，特别是复合材料Ns的电导在纳米颗粒浓度为14%时达到了饱和，而正是在这个浓度纳米复合材料Ns失去了介电强度，因此，纳米复合材料Ns在高纳米颗粒浓度时失去介电强度可能与复合材料具有高的电导有关。对于纳米复合材料Ls，尽管纳米颗粒的浓度超过14%时的复合材料的电导仍然远远小于复合材料Ss和复合材料Ns，但复合材料还是失去了介电强度。综合以上结果，可以看出，外来载流子不是影响复合材料介电强度的最主要因素。事实上，根据图5，10的结果，纳米颗粒的严重团聚正是造成复合材料Ls在高纳米颗粒含量下具有相对很低的电导率的原因。在低纳米颗粒含量时，马来酸酐接枝聚乙烯（Ma-PE）可以起到一定的分散纳米颗粒的作用。但在高纳米颗粒含量时，Ma-PE已经不能够作为纳米颗粒分散的相容剂。由于Ma-PE与纳米颗粒的相容性较好，此时纳米颗粒大部分团聚在Ma-PE含量较高的区域形成大的团聚体，图5，10(d)清晰的说明了这一点，在纳米颗粒的团聚体中存在着薄层的Ma-PE的聚合物。纳米颗粒的严重团聚使得他们以孤岛的形式存在于聚合物基体内，而无法形成导电通路，因此电导远远小于复合材料Ns以及Ss，并且电导随着时间的延长逐渐衰减，如图4（b）所示。

图4

结晶度与结晶形态也是影响结晶性聚合物介电强度的因素[10-13，15]，根据前面的结果，纳米颗粒的引入并不影响聚乙烯的结晶度，但改变了聚合物的结晶形态。因此，纳米复合材料的介电强度降低可能与纳米颗粒改变了聚乙烯的结晶形态有一定的关系。根据图5，6的结果，聚乙烯在复合材料Ns以及Ss中的结晶形态并没有大的差别，因此，纳米颗粒表面处理后，复合材料的介电强度的提高与聚乙烯的形态改变没有关系。

综合分析以上结果，可以得出以下结论，聚乙烯纳米铝复合材料（相同纳米颗粒含量）的介电强度主要取决于纳米颗粒的分散状态，主要包括颗粒团簇的尺寸以及形状，除此之外，还可能与纳米颗粒与聚合物基体的粘结以及复合材料的电导有一定的关系，与聚合物结晶形态的变化没有明显的关系。

对于复合材料Ss，纳米颗粒的浓度超过10％时，介电强度逐渐减小，但直到纳米颗粒的浓度超过14％时，纳米复合材料仍然具有较高的介电强度，这说明纳米颗粒簇之间可能存在一层的聚合物膜。纳米颗粒经过表面改性以后，表面吸附一层辛基基团，因此增加了纳米颗粒与聚合物基体的相容性，使得纳米颗粒表面可以吸附聚合物分子链；一方面，这些吸附的分子链可以限制相邻颗粒间的隧道电流，另一方面这些分子链使得纳米颗粒之间无法接触，这可能是纳米复合材料在逾渗阈值以上浓度时仍具有较高介电强度的原因。这与Laurent的研究结果是一致的。