喬蕊，郝春成，2，于辰，雷清泉

（1．青島科技大學材料科學與工程學院，山東 青島266042；

2．西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安710049）

0 引言

在直流輸電線路中，直流電力電纜具有絕緣的工作電場強度高，絕緣厚度薄，電纜外徑小、重量輕、柔軟性好、制造安裝容易；介質(zhì)損耗和導體損耗低，載流量大；沒有交流磁場等優(yōu)點［1－2］．但是，直流高壓電力電纜的發(fā)展相對于交流電力系統(tǒng)是滯后的．主要是因為聚合物絕緣的空間電荷效應這個問題尚待解決．

空間電荷是指絕緣體或半導體中局部區(qū)域，異質(zhì)相間和電極－介質(zhì)界面處存在的凈的正電荷或負電荷［3］．在聚合物中存在大量的陷阱，在電場的作用下，陷阱捕獲載流子形成空間電荷．空間電荷嚴重畸變聚合物絕緣的內(nèi)部電場．同極性空間電荷減小電極附近的電場強度，而異極性空間電荷將增大這種電場強度［4－5］．國外有學者研究［6］表明：當電纜絕緣內(nèi)電場畸變率達到50%時，絕緣的壽命將會降低60倍．聚乙烯絕緣的空間電荷效應是影響電力電纜絕緣介電強度和壽命的主要因素，因此，研制高壓直流電纜關鍵在于降低低密度聚乙烯中的空間電荷．

低密度聚乙烯較柔軟，具有良好的延伸性、電絕緣性、化學穩(wěn)定性、加工性能和耐低溫性等．碳纖維表面處理后，與聚乙烯之間的相容性和分散性得到很大改善，碳纖維的長徑比和取向顯著影響了復合材料的導電性，纖維長徑比越大、取向角越小，材料的導電性越好．隨著目前電力系統(tǒng)的發(fā)展，高壓直流輸電線路已成為當前研究的熱點［7］．尤其是高壓直流電力電纜對絕緣層以及半導電屏蔽層電性能的特殊要求，給CNFs／LDPE納米復合材料的發(fā)展提供了前所未有的機遇．

電聲脈沖法則主要用于測量厚試樣．電聲脈沖法可以在帶電條件下測量絕緣的空間電荷，且測量裝置簡單、制造成本又低，已成為測量空間電荷的主要技術［8］．

1 實驗材料及方法

1．1 原材料 CNFs：自制，利用化學氣相沉積法制備，并利用微波法在CNFs表面進行金屬化鍍鎳處理［9］，直徑約200nm．實驗所用二甲基硅油密度為0．975g／cm3，天津市巴斯夫化工有限公司生產(chǎn)；聚合物基體為半導電低密度聚乙烯：北歐化工Supersmooth LE0500屏蔽料，內(nèi)含炭黑、穩(wěn)定劑及過氧化二異丙苯（DCP，分子式C18H22O2，相對分子質(zhì)量270．37）交聯(lián)劑；絕緣低密度聚乙烯：北歐化工Supercure LS4201S絕緣料，內(nèi)含穩(wěn)定劑、DCP交聯(lián)劑；實驗所用脫模劑為自配的二甲基硅油（體積分數(shù)2%）與丙酮的混合液．

1．2 試樣的制備 將一定質(zhì)量比的表面金屬化后的CNFs與LDPE在開放式煉膠（塑）機上熔融共混以確保CNFs能夠均勻分布在LDPE中．用50T型平板硫化機將試樣壓成直徑2cm，厚度約0．2mm的CNFs／LDPE半導電層樣片．

將分別制備好的直徑約2cm的CNFs／LDPE半導電層（LDPE用北歐化工Supersmooth LE0500屏蔽料）和直徑約5cm的絕緣層（LDPE用北歐化工Supercure LS4201S絕緣料）樣片在100℃下在磨具中預熱后中心對齊熱貼合制成CNFs／LDPE半導電層＋絕緣層雙層樣片．

在本實驗中，制備了CNFs不同摻雜濃度的一系列樣品作對比實驗，不取向復合的CNFs摻雜的質(zhì)量分數(shù)分別為0．05%、0．1%、0．5%、1%、2%和5%的 CNFs／LDPE半導電層＋絕緣層雙層樣片，研究CNFs的摻雜濃度對CNFs／LDPE半導電層＋絕緣層雙層樣片空間電荷的影響．

1．3 空間電荷測試 采用日本生產(chǎn)的PEA空間電荷測量儀（pulsed electro－acoustic nondestructive test system）對試樣進行空間電荷的測試．如圖1所示，其中上電極采用半導電電極，下電極采用鋁板電極．試樣和電極之間用硅油作為聲耦合劑．

圖1 電聲脈沖法測量裝置原理圖

1．4 測試步驟 測試的過程為將每個雙層樣片在5、15、25kV／mm的直流電壓下測試20min，然后去除施加電壓，將樣品上下表面進行短路，短路測試時間20min，保存數(shù)據(jù)．觀察不同CNFs摻雜濃度時，不同電場下，樣片中空間電荷的分布規(guī)律．

2 實驗結果

2．1 不取向復合CNFs／LDPE納米復合材料的斷面表征 表面金屬化后的CNFs與LDPE在未施加磁場情況下不取向復合制得樣片，將樣片在液氮中進行脆斷，對斷面噴金后進行掃描電子顯微鏡測試，所得斷面的FE－SEM照片如圖2所示．從CNFs末端的局部放大圖2（a）中可以觀察到，CNFs與LDPE緊密粘結，界面處無空隙存在，說明CNFs與LDPE的相容性及粘結性很好．圖2（b～d）從3個不同的角度展示了復合材料斷面的形貌，CNFs均勻地分散在基體LDPE中．

圖2 不取向復合的CNFs／LDPE納米復合材料斷面FE－SEM照片

2．2 加壓時雙層樣片空間電荷分布情況 不取向復合的CNFs摻雜的質(zhì)量濃度分別為0．05%、0．1%、0．5%、1%、2%和5%的CNFs／LDPE半導電層＋絕緣層雙層樣片在施加不同電場強度下加壓20min的空間電荷分布如圖3所示．隨著施加電場強度的增加，樣品內(nèi)空間電荷量逐漸增多．隨著半導電層中CNFs摻雜濃度的增大，樣品內(nèi)空間電荷量先增多后減少．當CNFs質(zhì)量分數(shù)低于0．5%時，樣品內(nèi)兩極附近積聚的空間電荷量增多，并逐漸沿厚度方向發(fā)生遷移，如圖3（a）～（c）所示；當CNFs質(zhì)量分數(shù)超過1%時，樣品內(nèi)空間電荷量逐漸降低，樣品的空間電荷少很多，如圖3（e）～（f）所示；尤其是當CNFs質(zhì)量分數(shù)為5%時，樣品內(nèi)除陰極附近有微量電荷外，樣品內(nèi)部幾乎無空間電荷分布，如圖3（f）所示．電極通過半導電層向絕緣層中注入空間電荷，由于半導電層本身的高電導以及摻雜CNFs的各向同性分布，使電極注入的空間電荷在半導電層內(nèi)沿各個方向發(fā)生輸運，CNFs的質(zhì)量分數(shù)增多加速了電荷輸運速度，電荷趨于平均分布，與雜質(zhì)等電離的異極性空間電荷進行中和，削弱了局部電場強度，半導電層與絕緣層界面處的電場強度比外加電場強度要小很多，注入絕緣層中的空間電荷也相應地減少，幾乎無空間電荷積聚．

不取向復合的CNFs／LDPE半導電層＋絕緣層雙層樣片在施加電場后短路的空間電荷分布如圖4所示．短路5s后樣品兩極附近均出現(xiàn)同極性空間電荷的釋放，電荷衰減較快；短路20min后電極附近的空間電荷密度迅速降低，最終在電極附近有少量空間電荷殘余．當CNFs的質(zhì)量分數(shù)弱低于1%時，半導電層的電導以炭黑導電為主，類似于純半導電層的導電機制，對電場的削弱作用相對較小，樣品中空間電荷殘余相對較多，如圖4（a）～（c）所示；當CNFs的質(zhì)量分數(shù)超過1%時，CNFs在半導電層內(nèi)以團束狀無規(guī)各向同性分布，CNFs的高電導和高長徑比的特性改變了半導電層原本的導電機制，加速了電荷在半導電層中的輸運與躍遷，使電荷和電場分布更加平均化，注入的空間電荷量非常有限，短路后樣品中幾乎無空間電荷殘余，如圖4（e）～（f）所示．

圖3 不取向復合的CNFs／LDPE半導電層＋LDPE絕緣層空間電荷分布

圖4 不取向復合的CNFs／LDPE半導電層＋LDPE絕緣層短路空間電荷分布

3 實驗結論

本文中通過實驗制備不取向復合的CNFs摻雜的質(zhì)量分數(shù)分別為0．05%、0．1%、0．5%、1%、2%和5%的CNFs／LDPE半導電層＋絕緣層雙層樣片，研究了在施加不同電場情況下CNFS摻雜濃度對CNFS／LDPE復合材料空間電荷的影響，得出如下結論：（1）CNFs／LDPE半導電層＋純絕緣層雙層樣片，CNFs的質(zhì)量分數(shù)低于1%不取向的CNFs／LDPE半導電層對電場的削弱作用相對較小，樣品中殘余了相對較多的空間電荷．（2）當CNFs質(zhì)量分數(shù)為5%時，樣品內(nèi)除陰極附近有微量電荷外，樣品內(nèi)部幾乎無空間電荷分布．

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