聚合物纳米复合电介质的界面性能研究进展.pdf

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1、高电压技术第38卷第9期2012年9月30日HighVoltageEngineering，Vo1．38，No．9，September30，2012聚合物纳米复合电介质的界面性能研究进展罗杨，吴广宁，彭佳，张依强，徐慧慧，王鹏(西南交通大学电气工程学院，成都610031)摘要：聚合物纳米电介质以其优异的性能而受到广泛关注，其中聚合物基体与纳米粒子间的界面作用机理成为研究热点。为此，综合国内外研究成果，论述了聚合物纳米电介质中界面区域的重要性，并从界面化学结构、物理结构模型、机械(力学)性能、热力学性能等方面强

2、调了界面区域在电气绝缘性能中的作用机理。界面是纳米填充物与聚合基体之间的纳米级过渡区域，由于其独特的形成机理，其具有与聚合物基体和纳米填充物不一致的理化性质。界面在复合材料中占有主导地位，其微观结构及性能将直接影响复合材料的宏观性能。关键词：纳米电介质；界面；复合材料；绝缘性能；陷阱；微观结构DOI：10．3969／j．issn．1003—6520．2012．09．045文章编号：1003—6520(2012)09—2455-10ResearchProgressonInterfacePropG一～一ert一

3、～ies～一of一～～一P一o～一～一～ly～一～一m～一e一r一～一～眦N～一～a_墓一n一o一d一．一～一ielectrics性能的关键因素_1。采用偶联剂对纳米粒子表0引言面进行改性，可提高其与聚合物基体之间的相容性，目前，我国电力能源、电子信息、轨道交通、航空改善纳米粒子与聚合基体之间的界面相互作用，增航天等行业正处于高速发展时期，纳米电介质在这强复合电介质的绝缘特性。界面是纳米填充物与聚些领域中具有非常广泛的应用前景，对其结构、性能合基体之间的纳米级过渡区域，其具备不同于聚合以及应用研究是科技发展

4、的前沿，也是国家科技进物基体及纳米填充物理化性质的特殊性及复杂性步的基础。自1994年T．J．Lewis提出纳米电介质(如改变聚合物分子构型、改变复合介质局部内应的概念以来_1]，纳米电介质引起了各国学者的广泛力、生成新化学键、引入更多缺陷／陷阱等)，还未形关注。近十多年来，在聚合物中添加纳米粒子以改成一套完整的理论用于解释界面行为。因此，系统善绝缘材料的性能已成为研究热点。研究表明，在分析纳米粒子(不同尺寸、粒径、形状、掺杂量等)在一定情况下，纳米粒子的掺入可以给聚合物纳米绝聚合物基体材料中的分散方法(包

5、括纳米粒子表面缘复合体系带来特殊的电气性能，如高介电常数、低修饰、修饰剂的选择、基体高分子与纳米粒子的相互损耗[2]、耐电晕r7引、耐高温和低温口“]、高击穿场作用机理)，改善纳米粒子在基体内部的分散能力及强E15-16]、耐电树枝化_】等。然而，并不是所有的纳二者之间的亲和力，研究界面区域的形成机理及影米复合电介质都具备这些优势，这与纳米填充物的响因素，建立界面区域的调控方法，对研究纳米电介粒径、形状、含量及填充物与聚合物之间形成的界面质中界面的理化性质，分析界面特性对材料宏观性有关，并且众多学者相信界面

6、是影响复合体系各种能的影响，探索纳米电介质微观结构一介观结构一宏观性能3者之间的相互关联作用及开发新型绝缘材料基金资助项目：国家自然科学基金(51177136)。具有重要的意义。ProjectsupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(5l177136)．本文综合国内外相关文献，阐述了纳米复合电高电压技术HighVoltageEngineering介质中界面的重要性；总结分析了界面区域的化学微米粒子界基体结构模型、物理结构模型、机械(力学)性能、热力

7、学性能及电性能等，简述了界面微观结构及性能对复合电介质宏观性能的影响。1纳米电介质中的界面●1，1界面的概念纳米电介质界面即为纳米粒子和聚合物基体之间的相互作用区域，如图1所示，通过比较微米复合图1纳米颗粒和微米颗粒的界面示意图Fig．1Representationofinteractionszonesfora材料和纳米复合材料的界面可以发现，纳米复合材micro-particleandnano-particle料中的界面区域占主导地位。图2为在聚合物基体中添加不同粒径的纳米粒子填充物后(假设其形成的界面厚

8、度一致)，界面体积分数(界面体积和聚合物基体体积之间的比值)与＼纳米粒子填充物体积分数之间的关系曲线

9、2。由图2可知，随着纳米粒子填充物体积分数的增加，界面区域所占的体积分数逐渐增大。同时在纳米粒子填恒哝充物体积分数相同时，随着纳米粒子填充物∞粒径∞d∞加0的减小，复合材料中的界面区域所占的体积也会显著增加。．T．J．Lewis等结合界面作用力理论对界面进行纳米粒子体积分数／％了分析，认为当界面区域只有短程力存在