环氧树脂纳米复合材料介电和绝缘性能

snow838

由于优良的物理和化学性能、良好的加工工艺性，环氧树脂作为电绝缘材料在电力输运等新能源领域得到了广泛应用。近年来，电绝缘材料小型化和轻量化的发展趋势对环氧树脂的电气绝缘性能提出了越来越高的要求。 随着纳米技术的迅速发展，纳米复合材料的宏量制备成为可能。纳米复合材料与传统材料相比具有独特的物理化学性能。采用机械分散方法，向环氧树脂中添加了不同种类和含量的纳米颗粒，制备一系列环氧树脂纳米复合材料，并对其介电和绝缘性能进行了系统研究，同时表征了纳米复合材料的力学、热学性能；此外，通过静电力显微镜技术对纳米复合材料的介电响应、相位延迟等信息进行了研究，从微观角度探讨了纳米颗粒与环氧树脂基体在电场下的相互作用。本论文取得如下进展： 1、研究了环氧树脂纳米复合材料介电常数、介电损耗与测试频率的相关性。实验中选择了三类纳米颗粒：导电型纳米颗粒（多壁碳纳米管、还原氧化石墨烯）、半导体型纳米颗粒（二氧化钛）和绝缘型纳米颗粒（二氧化硅、三氧化二铝）。研究表明：1）在103Hz时纯环氧的介电常数为4.11，介电损耗为0.02-0.03。2）碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料的介电常数随着颗粒含量的增加呈现先增后降的趋势。当颗粒含量为0.5wt.%时，在103Hz时复合材料的介电常数为1328，并伴随较大的介电损耗；而碳纳米管经过臭氧化处理后，由于结构破坏导致导电性降低，复合材料的介电常数也明显降低。3）随着还原氧化石墨烯含量的增加，纳米复合材料介电常数呈现不断增大的趋势；当含量为0.1wt.%时，在103Hz时纳米复合材料介电常数为8，介电损耗为0.1；当含量为0.15wt.%时，纳米复合材料介电常数为21，介电损耗也相应地增加到10以上。4）纳米二氧化钛/环氧树脂纳米复合材料的介电常数随着纳米颗粒含量的增加仅有小幅提高，介电损耗大约在0.02-0.04之间。5）添加1wt.%正硅酸乙酯包覆的碳纳米管小幅提高了复合材料的介电常数。6）绝缘型纳米颗粒（二氧化硅、三氧化二铝）基本不影响环氧树脂纳米复合材料的介电常数，介电损耗也较小，均在0.02左右。 2、利用静电力显微镜技术表征了环氧树脂纳米复合材料的微观结构：纳米颗粒与环氧树脂基体形成的界面可以从介电损耗角图上直观反映出来。不同温度下的介电信号差异说明了界面处的介电损耗小于环氧树脂基体的介电损耗。同时具有空间分辨的介电松弛谱也进一步验证了此结果。介电松弛谱形状和松弛时间的变化，表明界面极化作用影响了环氧树脂链α-模式的动态松弛。 3、研究了不同类型、含量的纳米颗粒对环氧树脂纳米复合材料击穿强度的影响规律。结果表明：1）导电纳米颗粒（还原氧化石墨烯）在极低含量（0.005-0.015wt.%）时，材料的击穿强度有小幅提高（从32kV/mm提高到42kV/mm）。研究认为“库仑阻塞效应”是可能的机理，即导电纳米颗粒在环氧树脂中形成了阻碍电子运动的“隧穿结”。 2）绝缘纳米颗粒（三氧化二铝、二氧化硅）在较低含量下可以提高环氧树脂的击穿强度，而在较高含量下往往会导致击穿强度的降低。可能的原因是纳米颗粒低含量时，分散良好的纳米颗粒与环氧树脂高分子链的相互作用较强，降低链段运动，从而减小电子碰撞电离的概率，增加击穿强度；纳米颗粒高含量时，纳米颗粒形成较大的团聚体，进而陷阱的数量增加，捕获的空间电荷增多，导致击穿强度降低。3）添加1wt.%正硅酸乙酯包覆的碳纳米管提高了环氧树脂纳米复合材料的击穿强度。 4、对环氧树脂纳米复合材料的力学、热学性能进行了表征。结果表明：在具备较好介电和绝缘性能的同时环氧树脂纳米复合材料保持了良好的力学和热学性能。