毕业论文-纳米SiC硅橡胶复合材料在电缆终端中的应用

1、哈尔滨理工大学学士学位论文PAGE PAGE 46哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计 题 目：纳米SiC/硅橡胶复合材料在电缆终端中的应用 院、 系： 高电压与绝缘技术姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2012 年 6 月 24 日哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号：学 院： 电气与电子工程学院 专业：高电压任务起止时间：2012 年 2 月 27 日至 2012 年 6 月 24 日毕业设计（论文）题目：纳米SiC/硅橡胶复合材料在电缆终端中的应用毕业设计工作内容：1学习纳米复合电介质相关知识2分析SiC/硅橡胶纳米复合材料非线性导电机理 3计算SiC纳米复合硅橡胶

2、改善电缆终端电场分布结果 4完成论文资料：1严璋，朱德恒，高电压绝缘技术，中国电力出版社，20072谢恒堃，电气绝缘结构设计原理（下册），机械工业出版社，19933X. Wang, J. K. Nelson, L. S. Schadler，Mechanisms Leading to Nonlinear Electrical Response of a Nano p-SiC/Silicone Rubber Composite， IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 17, No. 6; 指导教师意见：签名：

3、年 月 日系主任意见：签名：年 月 日教务处制表纳米SiC/硅橡胶复合材料在电缆终端中的应用摘要随着现代材料科学的不断进步，材料正逐步由低级形式向高级形式发展，即由结构型向功能化、智能化的方向发展。非线性绝缘介质是指电导率或(和)相对介电常数随电场变化而变化的绝缘介质，它具有在不均匀电场下自行均化电场分布的特点，因此在复杂绝缘结构中具有广泛的应用。本文主要研究纳米SiC/硅橡胶复合材料对电缆终端结构的电场影响。本文以电缆终端应力锥和外绝缘中填充电导率为非线性绝缘介质的绝缘结构作为主要研究对象，仿真分析了在110kV电压下的电场分布。论文采用电场模拟软件COMSOL的瞬态求解器分别对应力锥和外绝

4、缘中填充非线性绝缘介质所构成的绝缘结构进行瞬态仿真分析，并对采用线性硅橡胶外绝缘和非线性硅橡胶外绝缘的电缆终端的电场分布进行比较。结果表明：非线性绝缘介质的引入降低了应力锥外表面合成场强以及应力锥端尾处的最大合成场强，通过比较看出当电缆终端中应力锥和外绝缘均采用非线性复合材料时改善电场的效果最好。 关键词复合材料；非线性电导；渗流特征；硅橡胶Nano SiC / silicone rubber composite cable terminalAbstractWith the development of modern materials science progress, material i

5、s gradually by elementary form to advanced forms of development, from structure to function, intelligent direction. Nonlinear dielectrics are the conductivity or ( and ) the relative dielectric constant change with electric field insulating medium, it has in a non-uniform electric field to all of th

6、e electric field distribution characteristics, thus in complex insulating structure has wide application. This paper mainly studies the SiC/ nano silicon rubber composite material for cable terminal structure electric field effect. The cable terminal stress cone and the outer insulating filling cond

7、uctivity for non-linear dielectric insulation structure as the main research object, the simulation analysis on the electric field distribution of110kV voltage.By means of the electric field simulation software COMSOL transient solver respectively stress cone and the outer insulating filler composed

8、 of nonlinear dielectric insulation structure transient simulation analysis, and the linear silicone rubber insulation and external insulation of nonlinear silicone rubber cable terminal of the electric field distribution are compared. The results showed that: non-linear dielectric into the lower ou

9、ter surface of the stress cone synthesis field and stress cone end at the maximum electric field strength, through the comparison that when the cable terminal stress cone and the outer insulating using nonlinear composite materials to improve the electric field effect best.Key words: composite mater

10、ial; nonlinear conductivity; percolation characteristics; silicone rubber目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328407945 摘要 PAGEREF _Toc328407945 h 3 HYPERLINK l _Toc328407946 Abstract PAGEREF _Toc328407946 h 4 HYPERLINK l _Toc328407947 HYPERLINK l _Toc328407948 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328407948 h 7 HYPERLI

11、NK l _Toc328407949 1.1课题背景及研究意义 PAGEREF _Toc328407949 h 7 HYPERLINK l _Toc328407950 1.2 国内外聚合物基非线性复合物的研究现状 PAGEREF _Toc328407950 h 7 HYPERLINK l _Toc328407951 1.3 本文研究的主要内容 PAGEREF _Toc328407951 h 9 HYPERLINK l _Toc328407952 第2章 导致纳米SiC/硅橡胶复合材料非线性电响应的机制分析与讨论 PAGEREF _Toc328407952 h 10 HYPERLINK l _T

12、oc328407953 2.1 SiC填料粉体和硅橡胶基体的导电特性 PAGEREF _Toc328407953 h 10 HYPERLINK l _Toc328407954 2.2 复合材料的非线性行为 PAGEREF _Toc328407954 h 12 HYPERLINK l _Toc328407955 2.3 复合材料空穴跃迁非线性假说 PAGEREF _Toc328407955 h 14 HYPERLINK l _Toc328407956 2.3.1空穴跃迁假说 PAGEREF _Toc328407956 h 14 HYPERLINK l _Toc328407957 2.3.2近邻跃

13、迁机制 PAGEREF _Toc328407957 h 15 HYPERLINK l _Toc328407958 2.4 替代机制 PAGEREF _Toc328407958 h 15 HYPERLINK l _Toc328407959 2.4.1电极注入 PAGEREF _Toc328407959 h 15 HYPERLINK l _Toc328407960 2.4.2穿过薄硅橡胶层的隧道效应 PAGEREF _Toc328407960 h 16 HYPERLINK l _Toc328407961 2.4.3 穿过薄硅橡胶层的变程跃迁 PAGEREF _Toc328407961 h 16 H

14、YPERLINK l _Toc328407962 2.4.4空间电荷或普尔-弗兰凯尔效应 PAGEREF _Toc328407962 h 17 HYPERLINK l _Toc328407963 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc328407963 h 17 HYPERLINK l _Toc328407964 第3章 非线性复合材料在电缆终端中的应用 PAGEREF _Toc328407964 h 18 HYPERLINK l _Toc328407965 3.1 电缆终端的电场分布特点及研究现状 PAGEREF _Toc328407965 h 18 HYPERLINK l _Toc32

15、8407966 3.2电缆终端的电场仿真 PAGEREF _Toc328407966 h 20 HYPERLINK l _Toc328407967 3.3 本章小结 PAGEREF _Toc328407967 h 24 HYPERLINK l _Toc328407968 结论 PAGEREF _Toc328407968 h 26 HYPERLINK l _Toc328407969 致谢 PAGEREF _Toc328407969 h 27 HYPERLINK l _Toc328407970 参考文献 PAGEREF _Toc328407970 h 28 HYPERLINK l _Toc3284

16、07971 附录 PAGEREF _Toc328407971 h 30第1章 绪论1.1课题背景及研究意义 由于高分子材料具有十分优良的电气绝缘性能，它一直被广泛应用于电气、电子绝缘领域。然而随着材料科学领域的不断发展，人们对功能高分子复合材料的需求越来越高，材料正逐步由结构型向智能型转变。通过将具有非线性电导特性的无机材料粒子添加到高分子材料中，可以制备出电导率能够随外加电场变化而变化的非线性复合材料。这类材料能够在不均匀电场下自行均化电场分布，大大地提高了绝缘结构的性能，所以被人们称为智能绝缘材料1。聚合物基复合材料导电机理的研究，一直都很受国内外学者的关注，虽然在某些聚合物基复合材料导电

17、机理研究方面，已经有很大的进展，但仍需进一步完善。特别是对以无机半导体粉末为填料、以聚合物为基体的非线性复合材料的导电机理的研究更不够深入，还需进行大量的实验和理论研究工作。为此，实验研究聚合物/非线性无机填料复合材料的电导特性及其影响因素，对指导非线性复合材料的开发和应用具有重要的工程意义；同时，非线性复合材料导电机理的研究对完善和丰富电介质理论具有重要的理论意义。 1.2 国内外聚合物基非线性复合物的研究现状国内外学者对非线性复合材料的研究十分关注，他们在研究中发现在聚合物中加不同浓度的非线性无机填料粒子会对复合物整体的电导特性产生不同的影响。1998 年，刘泽等人对掺杂了纳米 BaTiO

18、3粉末的 EPR 复合体系进行了介电性能的测试，结果发现：随着填料粒子体积浓度的增大，复合材料的相对介电常数呈非线性增加2。而韩国的 Jin-Gul Hyun 等人在研制嵌入式电容器薄片（ECFs）时也发现了该现象，即随 BaTiO3粒子掺入体积浓度的增大，ECFs 的电容呈非线性增加。BaTiO3浓度的增加，不仅显著提高了复合材料的相对介电常数，而且对材料的热稳定性也起到了一定的改善作用3。西安交通大学的李明等人利用电声脉冲法装置，对以 BaTiO3作为填料的聚乙烯试样的空间电荷分布进行了测试，研究结果表明：当 BaTiO3浓度为 1wt%左右时，几乎可以完全清除试样中的空间电荷，从而提高了

19、聚乙烯的直流介电强度。2001 年，Tetsushi Okamoto 等人发现在聚丁二烯树脂中加入 SiC 和Fe3O4两种填料时，伏安特性的非线性行为是由 SiC 决定的，而且出现非线性的阈值场强随 Fe3O4浓度的增大向高场方向移动4。2003 年，党智敏等通过对 BaTiO3/PVDF 两相复合材料和(导电填料+BaTiO3)/PVDF 三相复合材料的研究发现：BaTiO3/PVDF 两相复合材料的相对介电常数随填料的浓度增加而增加，低频时其相对介电常数可达 80，介电损耗低于 0.3。与两相复合材料相比，三相复合材料的介电常数更高，金属粒子的加入除了可以提高铁电体/聚合物复合材料的介电

20、常数外，还可以明显降低其介质损耗，该材料有望作为高介电常数的新型电介质材料使用 56。2006 年，尹毅等人对掺杂不同浓度纳米 SiOx 的 SiOx/LDPE 复合材料的伏安特性进行了测量，并系统研究了其温度特性。通过对实验结果的分析得出：纯 LDPE 的电导以空间电荷限制电流为主，对于掺杂纳米 SiOx 的复合介质，其强场电导以离子跃迁电导为主；温度增加将导致载流子的跃迁距离增大78。哈尔滨理工大学郭文敏老师对10umSiC/硅橡胶非线性复合材料做了电导特性的测试，结果如图1-1所示： （a）J-E 特性曲线 (b) -E 特性曲线图1-1 10umSiC/硅橡胶非线性复合材料电导特性并得

21、出这样的结论：SiC 粉体块状材料的电导主要受限于粉粒间的界面，因为粉料粒径越小，单位厚度中界面数量越多，电导率也越小；同时由于 SiC 自身电导率比粉粒间界面电导率大，电场主要施加在粉粒间的界面。颗粒越大，单位厚度界面数量少，每个界面承受的电场强度也越高，因此大粒径粉体块状材料电导率对电场强度的依赖程度也越高9。1.3 本文研究的主要内容本课题采用COMSOL仿真软件分析了电缆终端的电场分布。主要研究内容如下：1. 借阅文献理论分析讨论了纳米碳化硅/硅橡胶复合材料的非线性电反应机制；2. 对电缆终端的电场分布进行仿真分析，并将采用线性硅橡胶外绝缘与非线性硅橡胶外绝缘的电缆终端的电场分布进行比

22、较，分析非线性绝缘介质的引入对电场的改善程度。第2章 导致纳米SiC/硅橡胶复合材料非线性电响应的机制分析与讨论通常高电压的均压是通过高介电常数复合材料和具有理想的非线性电阻特性的复合材料实现的。后者，高场非线性电阻特性的复合材料有助于避免交流和直流的电场集中，这种复合材料通常是由一种聚合物基体，特别是三元乙丙橡胶或者硅橡胶中添加炭黑、陶瓷半导体碳化硅、氧化锌，甚至像有机半导体聚苯胺组成的11。在一般情况下，非线性电场分级复合材料的伏安特性可以用一个简单的经验幂律方程I-V来描述。但是，并没有严格地研究这种电响应经验背后的真正物理。人们普遍假定，在低于逾渗负荷时，两个相互竞争的机制，如隧道机制

23、或穿过薄聚合物基体层跃迁机制都阐述了复合材料的伏安非线性。在高于逾渗负荷时当填料粒子通道形成时，复合材料的非线性特性可能是隧道或场助热电子发射类似行为的双肖特基势垒的结果。另一方面，机制如电极肖特基注入，普尔-法兰克发射以及空间电荷限制电流也可以解释复合材料的I-V非线性。在这些假定的机制中，在许多半导体电介质或复合材料中跃迁机制已经被广泛地讨论成为主导机制。在这种情况下，载流子跃迁通常在小范围的邻近孔发生，称为邻近跃迁，或者发生在较大范围的相邻能量级之间，称为变程跃迁，这种跃迁在低温时更可能发生。在本文中，一套详细的电气特性和数据分析得出了在高场非线性行为纳米p-SiC/硅橡胶复合材料的价带

24、尾近邻假说。2.1 SiC填料粉体和硅橡胶基体的导电特性 非线性复合材料通常是由聚合物和填料组成的，文献11研究了由纳米碳化硅填料和硅橡胶组成的非线性复合材料，经电气测试SiC粉体的电流密度（J）和电场E的关系有温度依赖性，如图2-1所示，图2-1 纳米SiC粉体电流密度J和电场E在不同温度下的关系从图中可以看出，SiC粉体的非线性指数为4，其载流子平均活化能是0.048-0.064eV，这基于以下公式：图2-2是硅橡胶基体的介电谱，在0.1-10 Hz范围内的数据变化是特别引起关注的，log(虚部)的斜率大约是1，然而介电常数的实部几乎保持不变。这是一个直流传导的典型特征。这表明硅橡胶是无序

25、载流子跃迁传导机制，其跃迁发生在局部小范围内，从而会引入一些直流传导。图2-2 基体硅橡胶在0.1-10Hz频率下的介电常数实部和虚部2.2 复合材料的非线性行为一个典型的25vol%50nm-SiC/SIR分散图像如图2-3所示，尽管有一些结块的迹象，但是填料的分散似乎还是大体均匀的，而且从图可以看出大多数粒子间并不是直接接触的。图2-3 25vol% 50nm-SiC/SIR场发射扫描电子显微镜分散图在一系列温度下，复合材料的稳态非线性电流密度与电场E的关系和电阻率与电场E的关系如图2-4（a-b）所示，这个数据显示了复合材料图2-4 复合材料的稳态非线性电流密度与电场E的关系和电阻率与电

26、场E的关系是在电场2-4kV处开始显现出非线性特性的，并且这个非线性指数一般是随着温度的上升而下降的。更近一步讲，相比于纳米SiC粉体而言，这个复合材料的J-E非线性行为对温度的依赖性更大一些。复合材料载流子的活化能是0.4-0.6eV，这比纳米SiC粉体几乎高了一个数量级。这说明了在复合材料中很可能没有粒子间的直接接触的通道，即25vol%纳米复合材料是在渗流负荷以下并且大多数SiC粒子是分散在硅橡胶层之间的。从理论上讲，在填料粒子理想均匀分散情况下，平均硅橡胶层的厚度可以用公式（2-1）计算： （2-1）其中，是内部粒子间距，是粒子半径，是填料的体积分数。因此，25vol%50nm-SiC

27、/SIR复合材料的硅橡胶层厚度经计算为14nm。2.3 复合材料空穴跃迁非线性假说2.3.1空穴跃迁假说在许多无定形聚合物电介质中空穴注入和传导都被作为一种电荷载流子过程。在一些系统中，空穴跃迁传导已经被定义为一个主要的传导机制。在这项研究中，一个在硅橡胶价带尾假说的高场空穴跃迁传导在图2-5中显示出来。这些能级是基于能带结构的。由于电极被镀了一层金所以其功函图2-5 25vol% 50nm p-SiC/SIR 复合材料的空穴注入和跃迁过程数为5eV。硅橡胶的导带底部是被假定在空带附近，那是有机电介质的典型特征。-SiC的带宽大约为2.2eV，并且导带底部比空带低2.9 eV。 基于以下两种说

28、法空穴注入和传导被假定为主导的载流子过程。第一，由于肖特基势垒高度要比电子注入的势垒高度低得多，所以电极空穴注入更可能发生。例如，如果我们假定硅橡胶带宽是6-8 eV，那么空穴注入势垒高度就是1-3 eV，然而对于电子注入而言势垒高度是大约5 eV。第二，即使存在电子注入，它们可能在p-SiC中重组，因此并没有增加稳态电流。整体的电荷传导过程可能是这样发生的：空穴是从阳极肖特基注入的，然后空穴穿过邻近的薄橡胶层跃迁过局部区域到硅橡胶的价带尾，接下来通过体积电导运动到SiC价带中，在那之后，空穴从p-SiC的价带中进一步发射到邻近的硅橡胶层的价带，接着穿过硅橡胶层跃迁以此类推，直至空穴被阴极的电

29、子中和。2.3.2近邻跃迁机制根据近邻跃迁机制可以得知复合材料整体的跃迁活化能为0.53eV，这个值落在了0.4-0.6 eV范围内，这与复合材料的Arrhenius lnJ-1/T图相复合。整体的跃迁距离R经计算为4.3nm，在不同温度下，个别跃迁距离R表2-1所示：表2-1 在不同温度下的个别跃迁距离2.4 替代机制2.4.1电极注入在实际测量中电极电荷注入能战胜体积传导机制。它一般通过场助热电子发射发生，即肖特基发射或通过简单的隧道注入。在这种情况下隧道注入基本上被排除，因为nano-SiC/SIR J-E数据显示出显著的温度依赖性。对于电极肖特基注入，J-E关系遵循以下方程：其中。这里

30、是不加电场的初始势垒高度，A是理查森常数（理论上等于1202 mA/mm2K2）。是肖特基常数，和是真空介电常数和高频率介电常数。图2-6是在所有测试温度下的对应关系，它们的关系似乎符合线性。对于硅橡胶基体从斜率来看，计算约为0.22，这比在图2（a）中低了一个数量级，测量常见约为3。这在介电常数方面排除了电极肖特基注入相关机制是导致复合材料非线性的机制，同时也意味着外部载体供应充足。图2-6 关系2.4.2穿过薄硅橡胶层的隧道效应穿过薄硅橡胶层的隧道效应是一个重要的电荷传导机制。隧道效应的发生条件是：1）电场场强应该足够大，大于100kV/mm；2）聚合物层应该足够薄，一般在2-3nm。在2

31、5vol% 50nm-SiC/SIR研究系统中，复合材料在大约2kV/mm处才开始显现出非线性特性，这个值远远低于100kV/mm，同时，平均硅橡胶层厚度计算为14nm。这两点都于隧道效应发生条件相悖。2.4.3 穿过薄硅橡胶层的变程跃迁穿过薄硅橡胶层的跃迁通常发生要么是变程跃迁要么是近邻跃迁。对于两种跃迁机制的电导率温度依赖性都服从下式：对于变程跃迁，s一般取1/4，然而近邻跃迁中s一般是1。一个典型的复合材料的ln和1/T的关系如图2-7所示：在高于室温时，只有一种热电子发射过程，即近邻跃迁发生，然而变程跃迁也许在低温时发生。图2-7在5kV/mm时ln和1/T的关系，插图为ln和1/T0

32、.25的关系2.4.4空间电荷或普尔-弗兰凯尔效应一个经典的空间电荷限制电流模型，像mott-gurney法则，普遍预测一个接近2的恒定不变的低非线性指数，相对于跃迁机制，普尔-弗兰凯尔效应通常是在低密度但深陷阱（ 1eV）的介质中存在，这是高于复合材料的活化能0.4 - 0.6eV。此外，介电谱数据表明基体硅橡胶可能是高密度跃迁载流子系统。因此，“普尔-弗兰凯尔”机制也可以排除。2.5 本章小结文献作者进行了一系列的实验结果表明，跨越粒子间硅橡胶层的近邻跃迁非线性行为是最可能的传导机制。跃迁平均活化能大约是0.41eV，平均跃迁距离是4.3nm，并且跃迁的基复合材料非线性指数一般都随着温度增

33、加。第3章 非线性复合材料在电缆终端中的应用3.1 电缆终端的电场分布特点及研究现状3.1.1电缆终端电场分布特点电缆作为传输线输送电能，总归要有终端。在电力系统中，电缆终端是重要的组成部分，统计表明电力系统的故障发生中电缆附件的故障率大约为70%，所以电缆附件的质量直接影响电力系统供电的质量，而确保电缆终端的质量的关键是要有一个科学合理的结构和合适的绝缘材料，即选用合理的结构和合适的绝缘材料是保证其质量的首要工作。图3-1 电缆终端电场分布图电缆终端是电缆线路的薄弱环节。当电缆断开以后，在其半导电层和屏蔽层断开处电场比较集中，突出表现为沿电缆轴向有较大的电场应力。轴向电场强度超过允许范围时，

34、容易在电缆绝缘中形成局部放电，甚至导致绝缘击穿。电缆终端电场分布如图3-1所示。 金属屏蔽层接地电位为零，根据相关公式可知此处电位的变化率最大。此外，当剥开金属屏蔽层后，不管是否安装终端装置，其绝缘均为两种以上的介质。这样，电场的方向与绝缘介质表面不垂直。一般介质切向方向耐电场强度很低，而且在界面上又极易混有气隙和杂质，在一定条件下就会产生放电，造成绝缘的破坏。3.1.2电缆终端的研究现状电缆终端是安装在电缆线路末端，具有一定绝缘和密封性能，用以将电缆与电网或其它电气设备相连接的电缆附件。预制型电缆终端的种类很多，目前，110kV-345kV等级的终端主要型式为橡胶预制应力锥电缆终端，400k

35、V电缆终端已有采用橡胶预制应力锥终端的趋势，如日本、荷兰和英国等国分别开发的400kV等级的电缆终端均为橡胶预制应力锥结构。通常预制型电缆终端的内绝缘采用预制应力锥控制电场，外绝缘是瓷套管或环氧树脂套管。套管与应力锥之间一般都充以硅油或者聚丁烯、聚异丁烯之类的绝缘油。目前预制型电缆终端基本上是采用橡胶材料预制的应力锥，主要有以下两种结构形式：1 将橡胶预制应力锥机械扩张后套在电缆绝缘上。这结构的特点是应力锥直接套在电缆绝缘上，依靠应力锥材料自身的弹性保持应力锥与电缆绝缘之间界面上的压力和电气强度，其结构如图所示。这种终端结构虽然简单，但是存在两个令人关心的技术问题：（1）合成橡胶应力锥与浸渍油

36、的相容性；（2）在高电场和热场作用下，预制的橡胶应力锥老化引起的界面压力的变化。2 在橡胶预制应力锥的端部附加弹簧压紧装置。这种结构的特点是通过增加一套机械弹簧装置，借助弹簧的挤压保证橡胶应力锥与电缆绝缘之间界面上的压力恒定，其结构如图所示。这种终端结构在应力锥上增加弹簧装置，虽然结构复杂，对制造和现场安装的要求高，现场安装所需的时间增长，但在设计上考虑更周全，能够对付在高电场和热场作用下，橡胶应力锥老化后可能会引起的界面压力的变化，并且应力锥与浸渍油基本隔离，从而消除了应力锥材料溶涨的可能性。 (a) 未附加弹簧压紧装置 （b）附加弹簧压紧装置 1、绝缘油，2、橡胶预制应力锥，3、磁套， 4

37、、电缆屏蔽层，5、环氧套管，6、弹簧 图3-2 预制电缆终端结构 3.2电缆终端的电场仿真电缆终端为轴对称结构，可以用二维场来计算其内部的电场分布。图3-3为终端局部图，其中1为电缆绝缘，材料选为交联聚乙烯，2为半导电层，材料选为导电硅橡胶，3为环氧树脂，4为绝缘护套，材料为硅橡胶，5为铜屏蔽，6的区域设为空气，7为应力锥，材料为硅橡胶。 图3-3 电缆终端局部结构示意图本文对电缆终端电场的仿真均是用仿真软件Comsol实现的，结构由内绝缘、应力锥、绝缘护套和外绝缘几部分组成，研究一共分为三种情况：1应力锥和外绝缘均采用线性材料硅橡胶；2.应力锥采用线性材料，外绝缘采用纳米SiC/硅橡胶非线性

38、材料；3.应力锥和外绝缘均采用非线性材料。目的是为了看出非线性材料对电缆终端结构中应力锥端部的电场集中情况的改善。理论上讲，非线性材料中无机填料的浓度在一定范围内越高，对电场的改善越明显。 1. 应力锥和外绝缘均采用线性材料 此种情况下，应力锥和外绝缘均采用线性材料，即硅橡胶，电导率设为10-15S/m，电缆绝缘选材为交联聚乙烯，介电常数为2.2，应力锥与绝缘护套之间采用环氧树脂填充，其介电常数为2.9。本文采用仿真软件COMSOL Muitiphysics先绘出电缆终端局部结构，然后对各个结构进行以上设定进而求解。结果如下： 图3-4 电场分布和等位分布 图3-5 等位分布从仿真结果可知，应

39、力锥端部的电场较为集中，场强值为1433.29kV/m。2. 应力锥采用线性材料，外绝缘采用纳米SiC/硅橡胶非线性材料此种情况下，外绝缘护套部分采用的是纳米SiC/硅橡胶非线性材料，在场域设置时，这种材料的电导率是随着电场变化而变化的，本文在研究时分别选择两个曲线，电导率所符合的电场函数公式分别为:;和。经仿真求解结果如下图所示： 图3-6 外绝缘采用非线性材料的电场等位分布图1 图3-7 外绝缘采用非线性材料的电场等位分布图2从仿真结果可知，当材料电导率符合公式时，应力锥端部的场强值为1335.54kV/m,相比应力锥和外绝缘都是线性材料时减小97.75kV/m;当材料电导率符合公式时，应

40、力锥端部的场强值为1290.56kV/m, 相比应力锥和外绝缘都是线性材料时减小142.73kV/m。从结果分析看，碳化硅浓度越大电场改善结果越好。3.应力锥和外绝缘均采用非线性材料此种情况下，应力锥和外绝缘均设置为非线性材料，参数与上种情况一致，电导率还是分别设为两个公式进行仿真计算，设为公式（1），设为公式（2），求解结果如下图3-8,3-9所示：从仿真结果可以得知，当非线性材料的电导率服从公式（1）时，应力锥端部场强值为1335.54kV/m, 相比应力锥和外绝缘都是线性材料时减小97.75kV/m；当非线性材料的电导率服从公式（2）时，应力锥端部的场强为1219.05kV/m，相比应力

41、锥和外绝缘都是线性材料时减小214.24kV/m。从结果中得知，当应力锥和外绝缘同时采用非线性材料时，改善程度最明显。 图3-8应力锥和外绝缘都是非线性的电场等位分布图1图3-9应力锥和外绝缘都是非线性的电场等位分布图2 3.3 本章小结本章首先介绍了电缆终端的电场分布特点，是在应力锥端部电场集中，然后罗列了用Comsol软件进行的三种情况的仿真结果，经分析应力锥和外绝缘同时采用非线性材料时，对电场集中的改善最明显。通过论文讨论的三种情况的仿真结果可以分析得出，第一种情况由于应力锥和外绝缘都采用传统线性材料，材料的电导率是一个常数，并不随着电场的变化而变化，所以应力锥端部的电场集中情况就比较严

42、重，需要得到解决。第二种情况应力锥仍然采用线性材料，而外绝缘采用了纳米SiC/硅橡胶非线性复合材料，所以外绝缘的电导率会相应程度的随电场变化而变化，由于论文选择了两个r-E的公式仿真，结果显示服从公式（2）的情况对电场集中的改善更好些，原因是公式（2）的曲线更陡峭，相对应的材料的电导率随电场的变化更敏感一些，所以对应力锥端部的电场集中改善的程度才更大些。第三种情况中把应力锥和外绝缘都使用了情况二中的非线性材料，同样也分别仿真了服从两个公式的非线性材料的电场分布，结果显示服从公式（1）的情况中应力锥端部的场强值与第二种情况一致，也就是说，当碳化硅填料浓度较低时，应力锥结构中非线性材料的采用对电场

43、集中并没有起到改善作用，然而当材料服从公式（2）时，电场改善最为明显，并且相较于只有外绝缘用非线性材料，应力锥和外绝缘都用非线性材料对改善电场集中在数值上更起作用，使场强值更低。结论本文从参考分析、仿真分析方面对聚合物基非线性绝缘材料的电导特性及机理进行了研究，得出如下结论：1.通过参阅其他文献了解到，以硅橡胶为基料、不同浓度的 SiC 为填料制备的具有非线性电导特性的复合材料，无机填料浓度表现出一定的渗流特征，即填料浓度较低时，填料浓度对复合材料的电导特性影响不显著，而当填料浓度达到或超过某临界值时，填料浓度对复合材料的电导特性影响变得十分显著；2. 结合非线性复合材料的微观结构和经典电介质

44、理论，复合材料的三步输运导电模型核心为： “填料-界面-聚合物”串联形式单元的电导特性体现了复合材料整体的电导特性；界面和聚合物基体是影响复合材料电导特性的关键，并且电场强度逐步增加时可能存在复合材料电导率由聚合物基体控制转化到界面控制的过程，而聚合物基体控制型和界面控制型复合材料电导均为热激跃迁电导；复合材料电导的载流子可能是电子和离子的复合; 3. 对线性和非线性外绝缘的高压电缆终端进行电场分布的数值分析，结果发现非线性外绝缘可以有效地改善电缆终端中应力锥内表面和喇叭口处的电场分布。并且发现当应力锥和外绝缘同时采用非线性材料时，对电缆终端中的电场集中情况改善最明显，场强可从1433.29k

45、V/m降为1219.05kV/m，一下减小了214.24kV/m。电场数值分析结果预示非线性绝缘可应用于电缆终端外绝缘。致谢本论文是在张沛红老师的悉心指导下完成的。张老师渊博的知识、勤勉的工作精神和对科学严谨的态度对我将来的学习和工作产生了深远的影响。在课题的进行中，老师提供了完备的科研设施和技术资料，创造了良好的工作环境，使课题能够顺利完成。在此，对张老师的精心培养表示由衷的感谢!最后，向评阅本论文的各专家和老师致以诚挚的谢意!参考文献1 Qi X, Zheng Z, BOGGS S. Engineering with Non-linear DielectricsJ. IEEEElectri

46、cal Insulation Magazine, 2004, 20(6): 27342 刘泽, 李永祥. BaTiO3纳米粒子/环氧精细功能复合材料的制备及其介电性能的研究J. 复合材料学报, 1998, 15(4): 2023.3 晁芬, 王金合, 张增平, 等. 环氧树脂基介电复合材料的制备和性能研究J. 中国胶粘剂, 2008, 17(9): 1013.4 TETSUSHI OKAMOTO, MITSUHIKO KOYAMA, YOSHIYUKI INOUE, etal. Non-linear Electrical Property of Composite Materials with

47、 Two Kinds ofFillerC. IEEE 7th International Conference on Solid Dielectrics, Eindhoven,the Netherlands, 2001: 117120.5 党智敏. 高介电无机/有机复合材料的研究D. 北京: 清华大学博士后研究报告, 2003: 92.6 王海燕. 钛酸钡/聚偏氟乙烯复合材料的制备及其介电性能研究D. 兰州:兰州理工大学(硕士学位论文), 2006: 64.7 陈炯, 尹毅, 李喆, 等. 纳米SiOx/聚乙烯复合介质强场电导的预电应力效应研究J. 中国电机工程学报, 2006, 26(7):

48、 146151.8 Yin Yi, Chen Jiong, Li Zhe, et al. High Field Conduction of the Composites ofLow-density Polyethylene/Nano SiOx and Low-densityPolyethylene/Micrometer SiO2C. 2005 International Symposium on Electrical Insulating Materials, Kitakyushu, 9 郭文敏，聚乙烯_无机填料复合材料非线性电导特性及机理研究，哈尔滨理工大学工学博士学位论文，2010，6，2

49、6.10 刘恩科, 朱秉升, 罗晋生, 等. 半导体物理学M. 第4版. 北京: 国防工业出版社, 1997: 16.11 X.Wang,J.K.Nelson,L.S.Schadler,et al. Mechanisms Leading to Nonlinear Electrical Response of a Nano p-SiC/Silicone Rubber Composite. 2010:9附录译文：纳米p-SiC/硅橡胶复合材料的非线性电反应机制 摘要众所周知，通过空间和载体分布，跃迁机制是一个在许多无序的半导体和高分子电介质的主要传输机制。在这方面，高压领域的25vol%50纳米的

50、p-SiC/硅橡胶复合材料的非线性伏安特性和跃迁机制被建议。据推测，近邻跃迁是发生在碳化硅颗粒之间的薄薄的硅橡胶层，是碳化硅/硅橡胶复合材料非线性电响应的主要导电机制。关键字：非线性电气，机制，高场，孔跳传输，邻近，薄橡胶层，场域分级，纳米复合材料。1 引言通常高电压分级是通过使用高介电常数复合材料和具有理想的高场非线性电阻特性的复合材料实现的。后者，高场非线性电阻特性的复合材料，这有助于避免交流和直流的电场集中，通常是由一种聚合物基体，特别是三元乙丙橡胶或者硅橡胶中添加炭黑，或碳化硅陶瓷半导体，氧化锌，甚至像聚苯胺有机半导体聚苯胺基地。在一般情况下，非线性复合材料电场分级伏安特性的依赖可以用

51、一个简单的经验幂律方程来描述。但是，这种电响应经验背后的真正物理并没有被严格的研究。人们普遍猜测，在低于逾渗负荷时，两个相互竞争的机制，如隧道机制或穿过薄的聚合物基体层跨跳。当填料粒子通道形成时，复合材料的非线性特性可能是隧道或热电子发射类似行为的双肖特基势垒的结果。另一方面，机制如电极肖特基注射，普尔-法兰克发射以及空间电荷限制电流也可以主宰或有助于整体复合的I-V非线性。在这些猜想到的机制中，在许多半导体电介质或复合材料跃迁机制和场分级已经被广泛地讨论成为主导机制。在这种情况下，载流子跃迁通常在小范围的邻近孔发生，称为邻近跃迁，或者发生在较大范围的相邻能量级之间，称为变程跃迁，这种跃迁在低

52、温时更可能发生。在本文中，一套详细的电气特性和数据分析得出了在高场非线性行为纳米p-SiC/硅橡胶复合材料的价带尾近邻假说。2 实验 本文中所使用的SiC粉体填料是直径50纳米， Evans分析公司通过表征光谱法确定了SiC粉体的掺杂水平和类型。纯800-1,200 CST低粘度聚二甲基硅氧烷（三甲基终止，vinylmethylsiloxane（0.8-1.2摩），二甲基硅氧烷（99.2-98.8摩）共聚物）被Gelest公司用作基体硅树脂。在初步研究中显示最高复合的25vol%50nmSiC/硅橡胶被选择来研究非线性I-V机制。复合物是将SiC粉末和硅橡胶以一定的比例在高速搅拌机中制备的。1

53、wt%的过氧化二异丙苯作为硅橡胶的交联剂。样本被压缩在150/h180/h的环境下。在任何电气测试之前，固化复合物圆盘（0.5mm厚）被保存在80的真空烘箱24小时来消除过氧化二异丙苯残留，然后将直径2cm的电极溅射沉积到复合物圆盘两面。复合物和SiC粉体填料的高场I-V特性要么表现于复合材料的特定性质，要么表现于填料的测量单元，这是连接到Keithley 6517A静电和一个Bertan10kV的电压源。测量一般在一定温度范围内或一定温度以上做，为了帮助确定底层传导机制还要在干冰温度（-40）进行测量复合材料的I-V特性。稳态复合物或粉末电流读数通常在电压加上之后2小时（复合材料）或1分钟（

54、粉末）形成。在吸收电流的研究方面一些复合材料的瞬态电流也被记录。此外，介电谱测量是通Novocontrol Alpha分析仪实现的。测试交流电压为1伏特RMS，典型的测量条件是：1mHz-0.1MHz，30到120。在室温下脉冲电声测量评估了复合材料的内部空间电荷。空间电荷外加直流电场的测量范围从7至12kV/mm，脉冲幅值约为10ns。3结果3.1 碳化硅粉体和基体硅橡胶 复合填料，纳米碳化硅粉体被表征是二次离子质谱，含有0.9*1020atons/cm3铝杂质的p型介质。电气表征结果显示，非线性I-V行为或作为一个电场功能的碳化硅粉体的电流密度（J）略有温度依赖性，如图3-1所示图3-1

55、纳米碳化硅粉体电流密度J和电场E在不同温度下的关系粉体非线性指数在环境温度下被发现为4，这更好的说明了在粉体电阻率与电场的关系。纳米碳化硅粉体载流子平均活化能被发现是0.048-0.064eV基于：图3-2是硅橡胶基体的介电谱，在0.1-10 Hz范围内的数据变化是特别引起关注的，log(虚部)的斜率大约是1，然而介电常数的实部几乎保持不变。这是一个直流传导的典型特征。这表明硅橡胶是无序载流子跃迁传导机制，其跃迁发生在局部小范围内，从而会引入一些直流传导。图3-2 基体硅橡胶在0.1-10Hz频率下的介电常数实部和虚部3.2 复合材料的非线性行为一个典型的25vol%50nm-SiC/SIR分

56、散图像如图3-3所示，尽管有一些结块的迹象，但是填料的分散似乎还是大体均匀的，而且从图可以看出大多数粒子间并不是直接接触的。图3-3 25vol% 50nm-SiC/SIR场发射扫描电子显微镜分散图在一系列温度下，复合材料的稳态非线性电流密度与电场E的关系和电阻率与电场E的关系如图3-4（a-b）所示，这个数据显示了复合材料图3-4 复合材料的稳态非线性电流密度与电场E的关系和电阻率与电场E的关系是在电场2-4kV处开始显现出非线性特性的，并且这个非线性指数一般是随着温度的上升而下降的。更近一步讲，相比于纳米SiC粉体而言，这个复合材料的J-E非线性行为对温度的依赖性更大一些。复合材料载流子的

57、活化能是0.4-0.6eV，这比纳米SiC粉体几乎高了一个数量级。这说明了在复合材料中很可能没有粒子间的直接接触的通道，即25vol%纳米复合材料是在渗流负荷以下并且大多数SiC粒子是分散在硅橡胶层之间的。从理论上讲，在填料粒子理想均匀分散情况下，平均硅橡胶层的厚度可以用公式（3-1）计算： （3-1）其中，是内部粒子间距，是粒子半径，是填料的体积分数。因此，25vol%50nm-SiC/SIR复合材料的硅橡胶层厚度经计算为14nm。3.3 复合材料空穴跃迁非线性假说3.3.1在许多无定形聚合物电介质中空穴注入和传导都被作为一种电荷载流子过程。在一些系统中，空穴跃迁传导已经被定义为一个主要的传导机制。在这项研究中，一个在硅橡胶价带尾假说的高场空穴跃迁传导在图3-5中显示出来。这些能级是基于能带结构的。由于电极被镀了一层金所以其功函图3-5 25vol% 50nm p-SiC/SIR 复合材料的空穴注入和跃迁过程数为5