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片狀納米復合材料直流電壓擊穿試驗
閱讀：1228發布時間：2023-2-3
片狀納米復合材料直流電壓擊穿試驗：
使用商用 ZJC-100kV 型電壓擊穿測試儀來測量 XLPE/α-Al2O3 納米復合材料的直流高壓擊穿場強。兩個直徑 200mm 的圓形銅電極用作高壓電極和接地電極，以硅油為介質。硅油的作為介質的功能是防止氣泡的形成，使得所測量的最終擊穿場強是絕緣材料的擊穿場強而不是空氣的擊穿場強。用計算機程序控制以1kV/s 的線性速率升高電壓，直到所測試試片發生擊穿現象為止，此時記錄電壓數據以得出 XLPE /α-Al2O3 復合材料的擊穿電壓。總共包括了 9 個試片，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，每個試片至少進行十次直流電壓擊穿試驗，并通過 Weibull 統計分布對實驗數據進行處理和分析。
片狀納米復合材料直流電壓擊穿試驗測試結果：
圖 3-5（a）純 XLPE 和 XLPE/coated α-Al2O3 納米復合材料的直流擊穿場強的 Weibull 分布圖，復合材料中 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納米復合材料的 Weibull 分布圖，復合材料中 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 納米復合材料的直流擊穿場強的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強。純 XLPE 試樣的直流擊穿場強僅為約220 kV/mm，而在 XLPE/coated α-Al2O3 納米復合材料中，復合材料的直流擊穿場強隨著 coated α-Al2O3 含量的增加而增加，即使α-Al2O3 含量低至 0.2 wt％時，復合材料的直流擊穿場強也顯著增加（約為 260 kV/mm）。當 coated α-Al2O3 納米片的含量達到 1.0 wt ％時，復合材料的擊穿場強甚至增加到了最高值（約為320kV/mm），然而，當 coated α-Al2O3 的含量繼續增加到 2.0 wt％時，納米復合材料的直流擊穿場強反而降低到 280 kV/mm（低于含量為 0.5 wt％和 1.0 wt％時，但高于含量為 0.2 wt％時）。與其他文獻研究成果相比，本實驗中 coated α-Al2O3含量為 1.0 wt％的XLPE/coated α-Al2O3 納米復合材料的擊穿場強（320 kV/mm）要遠高于參考文獻中夾層結構 Al2O3-LDPE/LDPE/Al2O3-LDPE 納米復合材料的擊穿場強（200 kV/mm），但是要比參考文獻中聚乙烯/氧化鋁納米復合材料的擊穿強度（450 kV/mm）低，但是參考文獻中的純 LDPE 試樣的擊穿場強就已經達到450 kV/mm，而本實驗中純 XLPE 試樣的擊穿強度僅為 220kV/mm。因此，在本實驗中添加 coated α-Al2O3 納米片對聚合物基體材料直流擊穿場強的提高效果更加顯著。
另外，我們還測量了未經表面改性的α-Al2O3納米片的 XLPE/uncoated α-Al2O3納米復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 ％未經表面改性的α-Al2O3 的 XLPE/uncoated α-Al2O3 納米復合材料的直流擊穿場強的 Weibull 分布圖。通過將其與圖 3-6a 比較可以發現，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 的變化規律基本相同。然而，XLPE/uncoated α-Al2O3 納米復合材料的直流擊穿場強明顯要低于 XLPE/coated α-Al2O3 納米復合材料的擊穿場強，如當α-Al2O3 的含量為 1wt％時，XLPE/coated α-Al2O3 納米復合材料的直流擊穿場強達到了 320 kV/mm，而 XLPE/uncoated α-Al2O3 納米復合材料的直流擊穿場強僅為280 kV/mm。這說明了α-Al2O3 納米片的表面改性可以提高 XLPE/α-Al2O3 納米復合材料的直流擊穿場強，因為α-Al2O3 的表面改性可以有效防止納米片的團聚并改善α-Al2O3 納米片在 XLPE 基體中的分散性，因此改善了納米復合材料的直流擊穿性能。
為什么經過表面改性的α-Al2O3 納米片能在一定程度上提高納米復合材料的直流擊穿場強？首先，這是因為摻加的 coated α-Al2O3 納米片是一種本征電絕緣納米粒子，它的絕緣性能要遠遠大于 XLPE。其次，coated α-Al2O3 納米片的添加會使 XLPE 絕緣材料中空間電荷重新分布，從而會導致電場均化，并降低了 XLPE的自由體積。尤為重要的一點是，coated α-Al2O3 納米片是沿材料試片的厚度方向排列的，所以對電荷的注入和注入電荷傳輸具有一定的阻擋作用，圖 3-6 是這種納米片對電荷注入和傳輸的阻擋作用的示意圖。因此，coated α-Al2O3 對 XLPE 直流擊穿性能的影響與 coated α-Al2O3 納米片的含量有關。當 coated α-Al2O3 納米片僅為 0.2 wt ％時，XLPE/coated α-Al2O3 納米復合材料的直流擊穿場強從 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，復合材料的直流擊穿場強不斷增大，當coated α-Al2O3納米片的含量到達1.0 wt ％時，XLPE/coated α-Al2O3 納米復合材料的直流擊穿場強達到了最大值（320kV/mm），而當 coated α-Al2O3 的含量進一步增至 1 wt ％時，XLPE 的擊穿擊穿場強迅速降低。coated α-Al2O3 含量增加而直流擊穿場強降低的原因是當α-Al2O3含量較高時，納米顆粒難以均勻地分散在聚合物基體中，從而影響了復合材料的擊穿性能。
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