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片狀納米復(fù)合材料直流電壓擊穿試驗(yàn)
閱讀：935發(fā)布時(shí)間：2023-2-3
片狀納米復(fù)合材料直流電壓擊穿試驗(yàn)：
使用商用 ZJC-100kV 型電壓擊穿測(cè)試儀來(lái)測(cè)量 XLPE/α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流高壓擊穿場(chǎng)強(qiáng)。兩個(gè)直徑 200mm 的圓形銅電極用作高壓電極和接地電極，以硅油為介質(zhì)。硅油的作為介質(zhì)的功能是防止氣泡的形成，使得所測(cè)量的最終擊穿場(chǎng)強(qiáng)是絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)而不是空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。用計(jì)算機(jī)程序控制以1kV/s 的線性速率升高電壓，直到所測(cè)試試片發(fā)生擊穿現(xiàn)象為止，此時(shí)記錄電壓數(shù)據(jù)以得出 XLPE /α-Al2O3 復(fù)合材料的擊穿電壓。總共包括了 9 個(gè)試片，分別是純 XLPE、XLPE/0.2 wt ％ α-Al2O3、XLPE/0.5 wt ％ α-Al2O3、XLPE/1.0 wt ％α-Al2O3、XLPE/2.0 wt ％ α-Al2O3、XLPE/0.2 wt ％ coated α-Al2O3、XLPE/0.5wt ％ coated α-Al2O3、XLPE/1.0 wt ％ coated α-Al2O3、XLPE/2.0 wt ％ coatedα-Al2O3，每個(gè)試片至少進(jìn)行十次直流電壓擊穿試驗(yàn)，并通過(guò) Weibull 統(tǒng)計(jì)分布對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。
片狀納米復(fù)合材料直流電壓擊穿試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：
圖 3-5（a）純 XLPE 和 XLPE/coated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的 Weibull 分布圖，復(fù)合材料中 coated α-Al2O3 的含量分別為 0.2 wt％，0.5 wt％，1.0 wt％和 2.0 wt％。（b）純XLPE 和 XLPE/uncoated α-Al2O3納米復(fù)合材料的 Weibull 分布圖，復(fù)合材料中 uncoated α-Al2O3的含量分別為 0.2 wt％，0.5 wt％，1.0 wt％和 2.0 wt％
Figure.3-5(a) Weibull plots comparing the direct current (DC) breakdown strength of pure XLPEand XLPE/α-Al2O3 nanocomposites containing 0.2 wt %, 0.5 wt %, 1.0 wt %, and 2.0 wt %coatedα-Al2O3 and (b) Weibull plots comparing the DC breakdown strength of pure XLPE andXLPE/α-Al2O3 nanocomposites containing 0.2 wt %, 0.5 wt %, 1.0 wt %, and 2.0 wt %uncoatedα-Al2O3。
圖 3-5a 是純 XLPE 試樣以及添加了 0.2wt％，0.5wt％，1.0wt％和 2.0wt％表面改性的α-Al2O3 納米片的 XLPE/coated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的Weibull 分布圖。從圖 3-5a 中我們可以看出，coated α-Al2O3 的添加在不同程度上提高了純 XLPE 絕緣材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)。純 XLPE 試樣的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)僅為約220 kV/mm，而在 XLPE/coated α-Al2O3 納米復(fù)合材料中，復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著 coated α-Al2O3 含量的增加而增加，即使α-Al2O3 含量低至 0.2 wt％時(shí)，復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)也顯著增加（約為 260 kV/mm）。當(dāng) coated α-Al2O3 納米片的含量達(dá)到 1.0 wt ％時(shí)，復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)甚至增加到了最高值（約為320kV/mm），然而，當(dāng) coated α-Al2O3 的含量繼續(xù)增加到 2.0 wt％時(shí)，納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)反而降低到 280 kV/mm（低于含量為 0.5 wt％和 1.0 wt％時(shí)，但高于含量為 0.2 wt％時(shí)）。與其他文獻(xiàn)研究成果相比，本實(shí)驗(yàn)中 coated α-Al2O3含量為 1.0 wt％的XLPE/coated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（320 kV/mm）要遠(yuǎn)高于參考文獻(xiàn)中夾層結(jié)構(gòu) Al2O3-LDPE/LDPE/Al2O3-LDPE 納米復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（200 kV/mm），但是要比參考文獻(xiàn)中聚乙烯/氧化鋁納米復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度（450 kV/mm）低，但是參考文獻(xiàn)中的純 LDPE 試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)就已經(jīng)達(dá)到450 kV/mm，而本實(shí)驗(yàn)中純 XLPE 試樣的擊穿強(qiáng)度僅為 220kV/mm。因此，在本實(shí)驗(yàn)中添加 coated α-Al2O3 納米片對(duì)聚合物基體材料直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的提高效果更加顯著。
另外，我們還測(cè)量了未經(jīng)表面改性的α-Al2O3納米片的 XLPE/uncoated α-Al2O3納米復(fù)合材料的直流擊穿性能。圖 3-6b 即是純 XLPE 和含有 0.2 wt ％，0.5 wt ％，1.0 wt ％和 2.0 wt ％未經(jīng)表面改性的α-Al2O3 的 XLPE/uncoated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的 Weibull 分布圖。通過(guò)將其與圖 3-6a 比較可以發(fā)現(xiàn)，添加uncoated α-Al2O3 也可以改善 XLPE 的直流擊穿性能。而且 uncoated α-Al2O3 和coated α-Al2O3 的變化規(guī)律基本相同。然而，XLPE/uncoated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯要低于 XLPE/coated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，如當(dāng)α-Al2O3 的含量為 1wt％時(shí)，XLPE/coated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了 320 kV/mm，而 XLPE/uncoated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)僅為280 kV/mm。這說(shuō)明了α-Al2O3 納米片的表面改性可以提高 XLPE/α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因?yàn)棣?Al2O3 的表面改性可以有效防止納米片的團(tuán)聚并改善α-Al2O3 納米片在 XLPE 基體中的分散性，因此改善了納米復(fù)合材料的直流擊穿性能。
為什么經(jīng)過(guò)表面改性的α-Al2O3 納米片能在一定程度上提高納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)？首先，這是因?yàn)閾郊拥?coated α-Al2O3 納米片是一種本征電絕緣納米粒子，它的絕緣性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 XLPE。其次，coated α-Al2O3 納米片的添加會(huì)使 XLPE 絕緣材料中空間電荷重新分布，從而會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)均化，并降低了 XLPE的自由體積。尤為重要的一點(diǎn)是，coated α-Al2O3 納米片是沿材料試片的厚度方向排列的，所以對(duì)電荷的注入和注入電荷傳輸具有一定的阻擋作用，圖 3-6 是這種納米片對(duì)電荷注入和傳輸?shù)淖钃踝饔玫氖疽鈭D。因此，coated α-Al2O3 對(duì) XLPE 直流擊穿性能的影響與 coated α-Al2O3 納米片的含量有關(guān)。當(dāng) coated α-Al2O3 納米片僅為 0.2 wt ％時(shí)，XLPE/coated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)從 220kV/mm 增加至 260 kV/mm 左右，然后，隨著 coated α-Al2O3 納米片的含量增加，復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)不斷增大，當(dāng)coated α-Al2O3納米片的含量到達(dá)1.0 wt ％時(shí)，XLPE/coated α-Al2O3 納米復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了最大值（320kV/mm），而當(dāng) coated α-Al2O3 的含量進(jìn)一步增至 1 wt ％時(shí)，XLPE 的擊穿擊穿場(chǎng)強(qiáng)迅速降低。coated α-Al2O3 含量增加而直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低的原因是當(dāng)α-Al2O3含量較高時(shí)，納米顆粒難以均勻地分散在聚合物基體中，從而影響了復(fù)合材料的擊穿性能。
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