耐電暈

耐電暈復(fù)合材料是在傳統(tǒng)的絕緣聚合物中加入一定量耐電暈性能優(yōu)異的無機(jī)納米材料 , 如 Al 2O 3 、TiO 2 、云母或?qū)訝罟杷猁}等制備而成 。納米材料由于尺寸在某個(gè)方向上減小所導(dǎo)致的高比表面積和高表面能 , 使其在粘度較大的聚合物中不易分散 , 這成為耐電暈材料所面臨的技術(shù)難題 。如何將納米材料均勻分散到聚合物中 , 并保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性成為制備耐電暈材料的關(guān)鍵技術(shù) 。綜合國內(nèi)外納米復(fù)合材料的制備方法主要有 4 種 。

共混法

共混法即納米粒子直接分散法 。該方法是首先合成出各種形態(tài)的納米粒子 , 再通過各種方式將其與有機(jī)聚合物混合 。共混法的優(yōu)點(diǎn)是 , 納米粒子與材料的合成分步進(jìn)行 ,可控制納米粒子的形態(tài) 、尺寸 , 易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化 , 因而引起了國內(nèi)外的強(qiáng)烈關(guān)注 。缺點(diǎn)是納米粒子的比表面積和表面能大 , 粒子之間存在較強(qiáng)的相互作用 ,易產(chǎn)生團(tuán)聚 ,失去納米粒子的特殊性質(zhì) 。而聚合物本身粘度又較高 , 納米粒子與聚合物很難達(dá)到理想的納米尺度復(fù)合 。通常認(rèn)為 , 粒子間相互作用的總勢(shì)能等于排斥勢(shì)能與引力勢(shì)能的綜合作用 。對(duì)納米粒子進(jìn)行表面改性 , 適當(dāng)減小納米粒子的引力勢(shì)能或增大排斥勢(shì)能 , 有助于減弱它的團(tuán)聚趨勢(shì) , 有利于它在聚合物中的分散 。常利用粒子的靜電效應(yīng)和空間位阻效應(yīng) , 采用表面活性劑 、偶聯(lián)劑 、表面覆蓋 、機(jī)械化學(xué)處理和接枝等方法對(duì)納米粒子進(jìn)行處理 , 以提高納米粒子在基質(zhì)材料中的分散性 、相容性和穩(wěn)定性 。此外 , 常采用加強(qiáng)攪拌混合 , 如超聲波和高速攪拌等方式來提高納米粒子在基質(zhì)材料中的分散效果 , 上述措施也用于其它的復(fù)合方法 。據(jù)杜邦公司的最新專利介紹 , Kapton C R 薄膜就是先將氣相氧化鋁和 N ,N -二甲基乙酰胺制成穩(wěn)定的懸浮體 , 然后再與聚酰胺酸溶液混合 , 經(jīng)熱亞胺化制得 。Phelps Dodge 公司則采用高速攪拌的方法將納米粒子直接分散到聚酯等耐高溫漆包線漆中 , 得到耐電暈材料 。

溶膠 -凝膠法

溶膠 -凝膠法是最早用于制備納米材料的方法 。所謂溶膠凝膠過程是將硅氧烷或金屬鹽等前驅(qū)體 ( 水溶性或油溶性醇鹽)溶于水或有機(jī)溶劑中形成均質(zhì)溶液 , 在酸 、堿或鹽的催化作用下促使溶質(zhì)水解 ,生成納米級(jí)粒子并形成溶膠 , 溶膠經(jīng)溶劑揮發(fā)或加熱等過程而轉(zhuǎn)變?yōu)槟z , 從而得到納米復(fù)合材料 。溶膠-凝膠工 藝的 基本過 程是 液體 金屬 烷氧 化物M ( O R) 4 ( M 為 Si 、Ti 等元素 , R 為 CH 3 、C 2H 5 等烷基)與醇和水混合 , 在催化劑作用下發(fā)生如下水解 -縮合反應(yīng) 。

水解反應(yīng) :Si( OC 2H 5 ) 4 4H 2O — ※Si( OH) 4 4C 2H 5OH

縮合反應(yīng) :Si( OH) 4 Si( OH) 4 ※ ( HO ) 3Si_O_Si( OH) 3 H 2O

當(dāng)另外的 ≡Si_OH 四配位體互相鏈接 , 則發(fā)生如下縮聚反應(yīng) ,并最終形成三維的 SiO 2 凝膠網(wǎng)絡(luò) 。

( OH) 3 Si_O_Si( OH) 3 6Si( OH) 4 — ※ ( ( HO ) 3Si_O ) 3

Si_O_Si( O_Si( OH) 3) 3 6H 2O

Sol_gel 法的特點(diǎn)是在溫和的條件下進(jìn)行 , 兩相分散均勻 , 通過控制前驅(qū)物的水解 -縮合來調(diào)節(jié)溶膠凝膠化過程 , 從而在反應(yīng)早期就可以控制材料的表面與界面 , 有利于實(shí)現(xiàn)納米甚至分子尺度上的復(fù)合 。雷清泉等采用該法對(duì)納米 SiO 2 /聚酰亞胺體系的耐電暈性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究 。杜邦公司也有關(guān)于向塞克改性聚酯亞胺漆中加入硅 、鈦復(fù)合氧化物的專利報(bào)道。該法目前存在的最大問題在于凝膠干燥過程中 , 由于溶劑 、小分子 、水的揮發(fā)可能導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力 , 影響材料的力學(xué)和機(jī)械性能 。其次是溶膠 -凝膠制備過程中 , 因?yàn)樾枰尤胍欢康乃痛呋瘎?,所以對(duì)聚合物的性能有顯著影響 。此外 , 該方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)無機(jī)顆粒晶型的控制 。 盡管如此 ,Sol_g el 法仍是目前應(yīng)用最多 , 也是較完善的方法之一 。

插層法

插層復(fù)合是制備高性能復(fù)合材料的有效手段之一 , 它是將聚合物或單體插層于層狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)物填料中, 使片層間距擴(kuò)大 , 在隨后的聚合加工過程中可剝離成納米片層均勻地分散于聚合物基體中而得到納米復(fù)合材料 。目前研究較多并具有實(shí)際應(yīng)用前景的層狀硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元是由兩片硅氧四面體夾一片鋁氧八面體 , 它們之間靠共用氧原子而形成的層狀結(jié)構(gòu) 。

插層復(fù)合利用了層狀無機(jī)材料層間含有可置換陽離子的特點(diǎn) , 首先通過有機(jī)化處理將有機(jī)陽離子引入到層間 , 使粘土由親水性變?yōu)橛H油性 , 然后利用有機(jī)粘土與聚合物或有機(jī)單體的相互作用 , 使聚合物或單體插入到無機(jī)材料的層間 , 實(shí)現(xiàn)有機(jī)分子與無機(jī)物的納米復(fù)合 。日本早稻田大學(xué) Kozako M采用該法制備了聚酰胺與層狀硅酸鹽的復(fù)合材料 , 大幅度提高了聚合物基體的耐電暈性能 , 并提出了耐電暈的機(jī)理模型 。對(duì)云母等具有高耐電暈性能的層狀無機(jī)材料 ,如果實(shí)現(xiàn)對(duì)其插層 , 將進(jìn)一步提高聚合物的耐電暈性能 , 但國內(nèi)外在這方面的報(bào)道很少 。

原位聚合法

原位聚合法又稱為在位分散聚合法 , 該方法是將納米粒子在單體或溶劑中均勻分散 , 然后在一定條件下使高分子單體就地聚合 , 形成復(fù)合材料 。由于聚合物單體分子較小 , 粘度低 , 表面有效改性后無機(jī)納米粒子容易均勻分散 , 用這一方法制備的復(fù)合材料的填充粒子分散均勻 , 粒子的納米特性完好無損 , 同時(shí)在位填充過程中之經(jīng)過一次聚合成形 , 不需要熱加工 ,避免了由此產(chǎn)生的降解 , 從而保持了基體各種性能的穩(wěn)定 。由于漆包線涂層所用的高分子一般為有機(jī)溶劑漆 , 納米粒子在粘度較小的溶劑中易于分散均勻 , 聚合物在溶液中形成以后 , 就會(huì)包覆于納米粒子周圍 ,形成空間位阻效應(yīng) , 從而保持了納米粒子在聚合物溶液中的穩(wěn)定性 。

耐電暈材料的開發(fā)在我國已經(jīng)引起了高度重視 ,但仍存在很多制得重視的問題 。首先 , 從國內(nèi)公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看 , 多數(shù)作者采用單一的無機(jī)納米粒子對(duì)聚合物進(jìn)行研究 , 這些研究缺乏全面性和系統(tǒng)性 。在機(jī)理研究方面仍處于假說階段 , 沒有提出相關(guān)的證據(jù) 。其次 , 已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的絕緣漆在儲(chǔ)存過程中存在不同程度的沉淀和凝膠現(xiàn)象 , 產(chǎn)品性能分散性較大 , 需要進(jìn)一步改進(jìn)耐電暈漆的生產(chǎn)工藝 、儲(chǔ)存 、運(yùn)輸條件 ,提高無機(jī)粒子在漆中的分散穩(wěn)定性 。此外 , 到目前為止 , 在耐電暈試驗(yàn)方法方面仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 。

國內(nèi)外學(xué)者曾對(duì)變頻電機(jī)絕緣的過早破壞現(xiàn)象進(jìn)行過廣泛而深入地研究 。這些研究表明變頻電機(jī)使用的脈寬調(diào)制電源輸出的脈沖方波使電動(dòng)機(jī)定子繞組首匝處承受的電壓是平均匝間電壓 10 倍以上,這是變頻電機(jī)匝絕緣過早擊穿的根本原因 。而由脈沖過電壓引起的電 、熱 、機(jī)械以及環(huán)境等因素的共同作用則是造成定子繞組匝絕緣材料快速老化并發(fā)生擊穿的直接原因 。因此 , 改善變頻電源的輸出波形和提高電機(jī)絕緣系統(tǒng) , 尤其是提高電磁線的耐電暈性能和耐溫等級(jí) , 是延長變頻電機(jī)使用壽命的主要途徑 。目前耐電暈電磁線絕緣均采用復(fù)合涂層 , 其中中間層 ( 三層復(fù)合)或外層( 兩層復(fù)合)為耐高溫聚合物與納米材料的復(fù)合物 , 厚度約為整體絕緣厚的 40 %～ 60 % 。

自從 1994 年杜邦公司推出耐電暈聚酰亞胺( K apton CR)薄膜和含氟聚酰亞胺 ( Kapton FCR)耐電暈薄膜以來 , 耐電暈材料的制備 、性能以及納米材料在耐電暈性能的提高方面所起的作用成為各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一 。杜邦公司 Kapton CR 采用50 ～ 500 nm 的氣相氧化鋁填充聚酰亞胺薄膜 , 使該薄膜的耐電暈性能提高了 10 倍以上。 PhelpsDodg e 公司生產(chǎn)的具有三層漆膜耐電暈漆包線 , 中間層采用納米 TiO 2 與耐高溫聚合物的復(fù)合材料使耐電暈性能提高了 100 倍。美國的 REA 和 Essex 電磁線公司 、 瑞士 Isola 公司等也先后推出耐電暈電磁線產(chǎn)品 。2000 年以后 ,變頻電機(jī)的耐電暈絕緣材料的研發(fā)開始在國內(nèi)得到重視 , 耐電暈材料的制備以及性能研究進(jìn)入活躍時(shí)期 。 2002 年 , 由雷清泉提出的 “無機(jī)納米 -高聚物的介電性和耐局部放電老化機(jī)理的研SiO 2 及其復(fù)合物 , 使其固化物的耐電暈性能得到顯著提高。馬寒冰等通過球磨法將 TiO 2基納米復(fù)合顆粒添加到普通絕緣漆 PA I 中試制得到一種耐電暈電磁線漆。作者所在課題組通過原位分散聚合法將納米 TiO 2 、Al 2O 3等納米粒子填充到聚酰亞胺材料中, 所得復(fù)合物的耐電暈性能得到大幅度提高 。本文在國內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上 , 對(duì)耐電暈材料的合成 、耐電暈機(jī)理以及存在的問題 , 并指出今后的發(fā)展方向 。

多核模型

日本早稻田大學(xué)的 Tanaka T等基于化學(xué) 、電學(xué)和形態(tài)學(xué)理論 , 提出了多核模型 , 用于解釋納米層狀材料在提高聚合物耐電暈性能方面所起的作用 。他們通過比較聚酰胺和聚酰胺/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料在相同局部放電條件下的耐電暈性能 , 發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料表面的電暈腐蝕深度是純聚合物的五分之一 ,肯定了耐電暈性能的提高與層狀硅酸鹽的高耐局部放電性有密切關(guān)系 。

聚酰胺/ 層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料表面耐局部放電的機(jī)理。該復(fù)合材料由許多聚酰胺包覆的納米尺寸的球形粒子組成 , 球形粒子的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外可分為三層 ,即內(nèi)層 ,中間層和外層 。由于離子鍵與共價(jià)鍵的存在 , 內(nèi)層聚合物與納米粒子之間有較強(qiáng)的作用 , 具有較強(qiáng)的耐電暈?zāi)芰?。中間層聚合物處于高度有序狀態(tài) , 且或多或少地存在結(jié)晶現(xiàn)象 , 兩相鄰顆粒之間的距離約為 1 nm , 第二層被認(rèn)為是最接近相鄰粒子的區(qū)域 , 耐電暈性能次之 。第三層主要是無定形聚合物 , 耐電暈性能較差 。當(dāng)局部放電作用于復(fù)合材料表面時(shí) ,在電 、熱 、機(jī)械以及環(huán)境等因素的共同作用下 ,表層的聚合物首先遭到破壞而分解 。之后 , 由于第三層及其外層的聚合物耐電暈性能較弱而被破壞 ,當(dāng)局部放電遇到球形粒子的中間層或內(nèi)層時(shí) , 由于其較強(qiáng)的耐電暈性能 , 破壞通道將沿著中間層與聚合物的界面繼續(xù)生長 。這樣破壞通道在材料內(nèi)部形成之字形路徑 ,從而延長了耐電暈壽命 。此外 ,介電常數(shù)也起著重要作用 , 由于層狀硅酸鹽的介電常數(shù)約為聚酰胺的 2 倍 , 局部放電將集中于復(fù)合材料中的納米填料部分 , 而在耐電暈性能較弱的無定形區(qū)域較弱 , 而硅酸鹽的耐電暈性能遠(yuǎn)高于聚合物基體 , 因而復(fù)合材料具有較好的耐電暈性能 。

缺陷理論

屠德民等人對(duì)聚合物的放電與老化問題曾進(jìn)行了長期的研究 。他認(rèn)為聚合物中存在一定量深度

各異的陷阱 , 在電壓的作用下電子從導(dǎo)體注入聚合物材料中時(shí) , 由于電子在聚合物中的平均自由程很短 ,經(jīng)過幾次碰撞后很快就落入陷阱中 。電子與陷阱的復(fù)合引起了以下兩個(gè)過程 : ①被捕陷的電子會(huì)在注入電極附近形成同極性的負(fù)電荷中心 , 它形成的附加電場(chǎng)會(huì)減弱電子繼續(xù)注入率 。 ②由于捕陷( 或復(fù)合) , 從高能態(tài)到低能態(tài)之間的這一能量差將會(huì)以非輻射的方式轉(zhuǎn)移 。對(duì)絕緣聚合物來說 ,這個(gè)能量可達(dá) 4 eV。該能量有兩種消耗方式 , 一是直接破壞陷阱處的材料結(jié)構(gòu) ,二是轉(zhuǎn)移給另外的電子 , 使它變成熱電子 。第二個(gè)電子就具有了足夠的能量去轟擊分子使其化學(xué)鍵破裂 ,或者產(chǎn)生自由基 ,這又形成新的陷阱 。這個(gè)過程會(huì)以鏈反應(yīng)的方式傳遞下去 ,直至老化擊穿 。納米粒子的加入改變了純聚合物的上述老化過程 。首先 , 納米粒子與聚合物的復(fù)合材料中的淺陷阱數(shù)量增多 。由于納米粒子的表面存在大量缺陷 , 當(dāng)納米粒子在與聚合物復(fù)合時(shí) , 納米粒子表面與聚合物的界面中會(huì)產(chǎn)生大量的陷阱 , 這是造成淺陷阱數(shù)量增加的原因 。其次 ,從導(dǎo)體注入的電子在淺陷阱中被捕獲 ,材料中穩(wěn)定的強(qiáng)電子親和力結(jié)構(gòu)能夠牢牢地俘獲電子 , 以致電荷不會(huì)脫陷 , 從而形成穩(wěn)定的空間電荷電場(chǎng) , 由于空間電荷電場(chǎng)在材料表面形成一個(gè)與外加電場(chǎng)方向相反的空間電荷場(chǎng) , 減弱了電子的注入能量和注入數(shù)量 。正是由于過渡金屬對(duì)電子具有較強(qiáng)的親和力 , 并且它們能夠在聚酰亞胺有機(jī)基體中形成一定的分散體系 , 在外電場(chǎng)的作用下這些強(qiáng)電子親和力的結(jié)構(gòu)能夠牢固地俘獲負(fù)離子( 電子) 形成受陷電荷 ,而所有這些受陷電荷的協(xié)同作用即產(chǎn)生空間電荷電場(chǎng) , 進(jìn)而在材料表面形成一定的屏蔽電場(chǎng) , 從而提高了聚酰亞胺薄膜的耐局部放電性能 。

協(xié)同效應(yīng)

Yin W和何恩廣等人認(rèn)為 , 納米粒子在提高耐電暈性能方面的作用不是單一的 , 而是電場(chǎng)均化 、電子及紫外光屏蔽 、熱穩(wěn)定等多種效應(yīng)共同作用的結(jié)果 。T Okamoto 等曾研究了云母 、Fe 3O 4 填充的聚酰亞胺以及未填充聚酰亞胺的耐電暈壽命 , 對(duì)比了它們的放電量和體積電阻 。發(fā)現(xiàn) Fe 3O 4/聚酰亞胺體系的局部放電量最小 ,而純聚酰亞胺的局部放電量最大 , 因此 , T Okamo to 認(rèn)為填料的加入造成聚酰亞胺電阻率的降低 , 使局部放電能量降低 , 從而延緩了材料的老化速度 。何恩廣等研究了納米 TiO 2 在提高耐電暈性能方面所起的作用 。他認(rèn)為納米 TiO 2 微粉填充改性絕緣的新型復(fù)合電磁線經(jīng)過電暈放電破壞后 , 析出的納米 TiO 2 微粉層改善了間隙中的電場(chǎng)分布特性 , 并通過電動(dòng)力的作用自適應(yīng)遷移使間隙的電場(chǎng)分布趨于均勻化 ;納米 TiO 2 層在絕緣表面形成電子屏蔽障 , 可捕獲來自放電的電荷 , 并通過高電導(dǎo)率的納米 TiO 2 微粉層使積聚的電荷沿表面擴(kuò)散 ; 此外納米 TiO 2微粉層還能夠吸收來自電暈放電且對(duì)絕緣有光化學(xué)降解作用的紫外線 ,將光能轉(zhuǎn)化為熱能后通過良好的導(dǎo)熱性擴(kuò)散掉 , 從而起到屏蔽紫外線的作用 。

目前， 在薄膜中摻雜無機(jī)納米粒子提高其耐電暈放電的機(jī)理尚無統(tǒng)一觀點(diǎn)， 這可能是因?yàn)闊o機(jī)納米粒子具有優(yōu)異的耐電暈性能， 也有可能是因?yàn)樵诰酆衔锘w中摻雜的無機(jī)納米成分改變了薄膜的介電性能， 進(jìn)而提高了其耐電暈?zāi)芰?。

添加納米粒子對(duì)介質(zhì)極化的影響

利用L CR測(cè)試儀分別測(cè)試杜邦1 00CR 薄膜和1 00HN薄膜的介電常數(shù)隨頻率的變化趨勢(shì)，1 00CR 薄膜的相對(duì)介電常數(shù)明顯大于1 00HN薄膜。一方面， 由于加入的無機(jī)納米成分比聚酰亞胺有機(jī)成分具有更大的相對(duì)介電常數(shù)， 因此對(duì)于兩相材料， 該復(fù)合材料具有復(fù)相非均質(zhì)材料的性能， 即ε m in<ε<ε m ax（ 其中， ε為復(fù)合材料的介電常數(shù)； ε m in為復(fù)合材料各成分的最小介電常數(shù)；ε m ax為復(fù)合材料各成分的最大介電常數(shù)） ； 另一方面，由于復(fù)合材料中許多界面存在大量缺陷， 電荷在界面中的分布發(fā)生變化， 在特定頻率電場(chǎng)作用下， 薄膜內(nèi)部正負(fù)電荷分別向兩極移動(dòng)， 在界面缺陷處聚集，形成電偶極矩， 即異號(hào)電荷位移產(chǎn)生松弛極化， 導(dǎo)致納米復(fù)合材料的介電常數(shù)增大 。

在外電場(chǎng)作用下， 介質(zhì)極化產(chǎn)生極化電荷， 其電場(chǎng)方向與外加電場(chǎng)方向相反， 削弱了介質(zhì)中的電場(chǎng)。由于 A l 2O 3 的介電常數(shù)大于聚酰亞胺的介電常數(shù)，故在 A l 2O 3 納米顆粒內(nèi)形成的退極化場(chǎng)強(qiáng)度比聚酰亞胺中的大； 薄膜表面的A l 2O 3 納米顆粒產(chǎn)生了大量的極化電荷， 屏蔽了薄膜中的電場(chǎng)， 因此極化電荷起到了削弱聚酰亞胺薄膜中電場(chǎng)的作用。納米復(fù)合聚酰亞胺薄膜中的無機(jī)納米粒子－聚合物間的勢(shì)壘可以阻止電荷的注入 。

添加納米粒子對(duì)電導(dǎo)率的影響

在復(fù)合材料中摻雜無機(jī)納米會(huì)使其電導(dǎo)率增大， 1 00CR薄膜的電導(dǎo)率比1 00HN 薄膜大1個(gè)數(shù)量級(jí)（ 在2 3℃時(shí)， 100CR、 100NH 薄膜的單位體積電阻率分別為2．3×10 1 6、 1．4×10 1 7Ω·c m， 其單位面積電阻率分別為3．6×10 1 6、 1×10 1 7Ω） 。這可能是因?yàn)閺?fù)合材料中的 A l 2O 3 納米粒子是以微晶形式存在的，具有較寬的導(dǎo)帶和較小的禁帶寬度， 更易發(fā)生電子的熱激發(fā)， 進(jìn)而增大復(fù)合材料中自由載流子的密度；此外， 納米粒子表面電荷更易電離形成自由電荷， 該自由電荷形成自由載流子， 導(dǎo)致電阻率下降。在老化過程中， 根據(jù) T anaka提出的納米電介質(zhì)電暈老化模型， 在1 00CR薄膜中的無機(jī)納米顆粒界面區(qū)內(nèi)存在具有一定導(dǎo)電性的松散層， 電暈老化導(dǎo)致有機(jī)物燒蝕， 進(jìn)而相互連通形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 使薄膜的電導(dǎo)率增大 。

電導(dǎo)率增大所造成的主要影響為： （ 1） 表面電導(dǎo)率的增大使得表面電荷衰減速度加快， 殘余電荷更少； （ 2） 薄膜內(nèi)部空間電荷更不易積累； （ 3） 局部放電腐蝕氣隙表面的有機(jī)物在氣隙表面形成無機(jī)納米粒子層， 氣隙表面電導(dǎo)率的增大使得放電產(chǎn)生的電荷的衰減速度加快， 當(dāng)脈沖電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙表面電荷形成的反向電場(chǎng)減弱， 使得平均放電量減小 。

添加納米粒子對(duì)陷阱參數(shù)的影響

分別對(duì)1 00HN、 100CR薄膜施加頻率為1kHz、占空比為5 0%的雙極性脈沖方波電壓， 脈沖方波電壓峰－峰值從2 50V（ 即宏觀電場(chǎng)強(qiáng)度1 0kV /mm） 逐級(jí)升高到20 00V（ 即宏觀電場(chǎng)強(qiáng)度8 0kV /mm） ， 測(cè)試體電荷密度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制體電荷密度隨介質(zhì)電場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線， 得到空間電荷積聚的閾值電場(chǎng)強(qiáng)度。未老化的1 00HN 薄膜和1 00CR 薄膜中體電荷密度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況。當(dāng)介質(zhì)內(nèi)部無空間電荷聚集時(shí)， 體電荷密度和電場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系。若曲線斜率發(fā)生變化， 則變化點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度值即為 閾 值 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度。未 老 化 的1 00CR薄膜、 1 00HN薄膜的空間電荷積聚的閾值電場(chǎng)強(qiáng)度分別為3 8、 32．5kV /mm。Ⅰ區(qū)為O hm區(qū)， 所測(cè)得的體電荷密度是試樣固有的載流子密度，因?yàn)樵趯?shí)際的聚酰亞胺薄膜中， 總是存在一定量的能夠自由遷移的正（ 負(fù)） 帶電粒子。Ⅱ 區(qū)為陷阱作用區(qū)， 曲線斜率k反映了空間電荷的積聚速率， k越大則空間電荷在介質(zhì)中的聚集速率越快。1 00CR薄膜的k值明顯大于1 00HN薄膜， 說明前者內(nèi)部空間電荷積聚速率較快， 含有更多的淺陷阱。熱電子的產(chǎn)生幾率及其能量大小由陷阱密度和深度決定。增加淺陷阱密度、 減小深陷阱密度， 可增加電子落入淺陷阱的概率， 減小電子落入深陷阱的概率， 進(jìn)而減小電子脫陷時(shí)形成高能量熱電子的幾率， 降低高能電子對(duì)聚合物的破壞作用。1 00CR 薄膜中存在更多的淺陷阱， 這可能是其耐電暈性能較好的重要原因 。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的絕緣結(jié)構(gòu)由耐電暈漆包線、浸漬樹脂、聚酰亞胺薄膜、槽絕緣材料等集成制備而成（模型線圈），適用于1 000 V及以下耐電暈電機(jī)絕緣。

杜邦 公 司 生 產(chǎn) 的 納 米 耐 電 暈 聚 酰 亞 胺 薄 膜1 00CR是對(duì)40 00多種物質(zhì)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)后， 選出具有抗電暈放電產(chǎn)物腐蝕能力的無機(jī)物和聚酰亞胺雜化制成的。為分析1 00CR 薄膜的整體結(jié)構(gòu)， 采用液氮（ －196°C） 冷 卻 后 進(jìn) 行 脆 斷 處 理， 獲 得 整 齊 的1 00CR薄膜斷面結(jié)構(gòu) 。

用F eisirion掃描電子顯微鏡（ SEM） 觀察1 00CR薄膜的斷面形貌。由于100CR薄膜電導(dǎo)率很低， 為避免在觀察時(shí)產(chǎn)生電荷積累， 觀察前在試樣上噴涂1層金膜， 以獲得良好的觀察襯度， 使圖像具有較強(qiáng)的立體感。1 00CR薄膜由3層組成。分別對(duì)薄膜上層、 中間層及下層成分進(jìn)行能譜分析可知， 薄膜的上層和下層除了含有C、 O元素外還含有大量的A l元素， 其納米添加劑應(yīng)為 A l 2O 3， 而中間層幾乎不含 A l元素， 為C、 O結(jié)構(gòu)。在1 00CR薄膜的3層結(jié)構(gòu)中， 無機(jī)納米粒子分布在薄膜表層。與聚酰亞胺基體相比， 無機(jī)納米成分具有更好的耐電暈性能和耐受電暈放電產(chǎn)物腐蝕的能力， 對(duì)薄膜內(nèi)部的聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)具有很好的保護(hù)作用； 而中間的聚酰亞胺層則保證薄膜具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度， 使其整體具有良好的耐熱、 機(jī)械和電氣性能以及耐電暈?zāi)芰?。?duì)1 00CR薄膜進(jìn)行脈沖電壓下的電暈老化， 老化前首先進(jìn)行壽命實(shí)驗(yàn)以確定化時(shí)間。當(dāng)頻率為1kHz、 電壓幅值為2kV、 溫度為1 00°C時(shí)， 100CR 薄膜的壽命為1 31min。因 此， 在 相 同 實(shí) 驗(yàn) 條 件 下 老 化 1h， 即100CR薄膜進(jìn)入老化中期時(shí)，進(jìn)行掃描電鏡分析。 隨著電暈老化過程的發(fā)展， 薄膜表面的有機(jī)成分被逐漸腐蝕， 整個(gè)表面幾乎完全被無機(jī)納米粒子絮狀物取代， 形成保護(hù)層。無機(jī)納米層的形成進(jìn)一步提高了薄膜耐受電暈放電產(chǎn)生的帶電粒子的轟擊能力， 阻止了電暈放電對(duì)內(nèi)部聚酰亞胺基體的進(jìn)一步侵蝕， 起到了很好的保護(hù)作用 。