王飛風(fēng)++張沛紅++高銘澤

摘要：制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%和7%的納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物，利用寬頻介電譜測試儀測試了不同碳化硅含量的納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介電譜特性.結(jié)果表明：納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介電常數(shù)在室溫下隨碳化硅含量的增加而增加，且在頻率小于1Hz時，復(fù)合物的介電常數(shù)小于純硅橡膠的介電常數(shù).當(dāng)頻率小于50Hz時，復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量的增加而降低，當(dāng)頻率大于lkHz，復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量的增加而增加，同時研究了納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的擊穿特性，通過交流擊穿試驗可知，納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的擊穿場強隨納米碳化硅含量的增加先增加后降低，當(dāng)碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，擊穿場強出現(xiàn)最大值.

關(guān)鍵詞：納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物；介電譜特性；擊穿特性

DOI： 10.15938/j.jhust.2015.03.016

中圖分類號：TM215

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683 （2015）03-0082-04

0 引 言

納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為新材料的開發(fā)和對現(xiàn)有材料的改性提供了新的思路和途徑，從20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)外學(xué)者對納米無機物改善聚合物性能作了廣泛研究，在聚合物如聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、低密度聚乙烯、硅橡膠、聚酰亞胺等中填加納米無機物如二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鎂、碳化硅、碳納米管、蒙脫土等，與傳統(tǒng)聚合物比較，納米復(fù)合物的電、熱和機械性能有了很大的改善.

碳化硅是非線性無機材料，在均勻電場方面得到廣泛應(yīng)用，在聚合物中加入納米尺度的碳化硅，可使復(fù)合物的電導(dǎo)率隨著場強的改變呈現(xiàn)出非線性變化，目前對納米碳化硅復(fù)合物的研究多集中于其非線性電導(dǎo)特性，得出納米碳化硅復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨碳化硅含量的增加而增大，當(dāng)外加電場達到一定值時，納米碳化硅復(fù)合材料的電導(dǎo)特性曲線出現(xiàn)拐點，導(dǎo)電機理發(fā)生改變.在同一碳化硅含量，同一電場強度下，納米碳化硅復(fù)合物的電導(dǎo)率大于微米碳化硅復(fù)合物的電導(dǎo)率，且在同一體積分?jǐn)?shù)下，添加納米級碳化硅的復(fù)合物的非線性導(dǎo)電特性比添加微米級碳化硅的復(fù)合物要好，同時也對 晶型的納米碳化硅復(fù)合物的非線性電導(dǎo)特性進行對比，結(jié)果表明，當(dāng)外加電場強度相等時，在相同的碳化硅含量下，β晶型的碳化硅復(fù)合物的電導(dǎo)率比α晶型的碳化硅復(fù)合物的電導(dǎo)率高幾個數(shù)量級，且β晶型復(fù)合物的非線性電導(dǎo)系數(shù)大約是α晶型復(fù)合物的兩倍等結(jié)論

研究表明，當(dāng)納米碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到5%以上時，納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物才會出現(xiàn)非線性電導(dǎo)特性.為了研究低的碳化硅含量對硅橡膠復(fù)合物介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切以及擊穿特性的影響，本文制備了納米碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～7%納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物，測試了其介電譜特性和擊穿特性，得出復(fù)合物的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切隨納米碳化硅含量和頻率的變化規(guī)律，以及納米碳化硅含量對復(fù)合物擊穿特性的影響，研究表明，當(dāng)納米碳化硅含量低于使其復(fù)合物出現(xiàn)非線性電導(dǎo)特性的含量時，碳化硅的加入，會在介質(zhì)中產(chǎn)生大量的界面，從而影響復(fù)合物的極化，使其介質(zhì)特性發(fā)生改變.

1 試樣制備

試驗用的硅橡膠為上海硅山高分子材料有限公司生產(chǎn)的室溫硫化硅橡膠，納米碳化硅為北京德科島金科技有限公司生產(chǎn)的平均粒徑40 nm的口晶型納米碳化硅.將納米碳化硅加入硅橡膠中并將硅橡膠、交聯(lián)劑和催化劑按一定比例混合，在真空干燥箱中去除氣泡固化制成試樣.分別制備了純硅橡膠和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%的納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物，試樣厚度0.4 mm.

2 納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介電譜特性

2.1試驗

利用寬頻介電譜儀Concept 80測試了不同含量的納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介電譜特性，試驗頻率范圍10-1 HzlO-6Hz，試驗在室溫下進行，試驗前將試樣放入干燥箱中80℃短路處理24h，以去除試樣中的水分和表面電荷.

2.2試驗結(jié)果

純硅橡膠和1%-7%納米碳化硅含量的硅橡膠復(fù)合物的介電常數(shù)與頻率的關(guān)系如圖1所示，可以看出，隨碳化硅含量的增加，復(fù)合物的介電常數(shù)呈增加趨勢，但在頻率小于1Hz時，納米碳化硅的加入減小硅橡膠復(fù)合物的介電常數(shù).

圖2為純硅橡膠和質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%納米碳化硅的硅橡膠復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切與頻率的關(guān)系，從圖中可以看出：①不同含量納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切都是隨著頻率的增加而降低，②當(dāng)頻率大于1kHz時，復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量的增加而增加.③當(dāng)頻率小于50Hz時，復(fù)合物介質(zhì)損耗角正切隨納米碳化硅含量的增加而降低.

2.3結(jié)果分析

圖1中納米復(fù)合物的介電常數(shù)隨碳化硅含量的增加而增加，符合Lichteneker-Rother方程 式中： 為復(fù)合物介電常數(shù)； 和 分別為納米填充物和基體的介電常數(shù)； 和 分別為填充物和基體的體積分?jǐn)?shù).本文中，納米碳化硅的介電常數(shù)為10，純硅橡膠的介電常數(shù)約為2.7，可知，復(fù)合物介電常數(shù)的增加是由于碳化硅材料高的介電常數(shù)，且隨碳化硅含量增加，復(fù)合物介電常數(shù)增加，

同時，復(fù)合物的介電常數(shù)取決于其極化和松弛機理，如圖3所示，不同頻率下極化機理不同.低頻下復(fù)合物的介電常數(shù)低于純硅橡膠是由于硅橡膠是極性材料，在頻率低于1z時，偶極子轉(zhuǎn)向極化作用加強，此時隨著頻率的降低，硅橡膠復(fù)合物介電常數(shù)增加，而納米碳化硅填加到硅橡膠中，減小了硅橡膠的自由體積，在一定程度上限制了復(fù)合物的偶極子轉(zhuǎn)向極化，使得低頻下納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介電常數(shù)低于純硅橡膠.

圖2中復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切與納米碳化硅含量和頻率的關(guān)系可解釋為：①當(dāng)頻率大于l kHz時，納米復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量增加而增加是因為在此頻率下，復(fù)合物電導(dǎo)損耗起主要作用，隨著碳化硅含量的增加，復(fù)合物的電導(dǎo)率增加.②當(dāng)頻率小于50Hz時，復(fù)合物介質(zhì)損耗角正切隨納米碳化硅含量的增加而降低，是因為在低頻下，偶極子轉(zhuǎn)向極化起主要作用，由于碳化硅含量越高，偶極子轉(zhuǎn)向極化越困難，此時純硅橡膠的介質(zhì)損耗角正切最大，納米碳化硅含量越高，納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切越小.③頻率大于50Hz小于1kHz區(qū)間，是一個過渡區(qū)域，兩種機理共同作用.

3 納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的擊穿特性

3.1 試樣處理與試驗方法

材料的擊穿場強是其電氣性能的重要參數(shù).本文利用CS2674C耐壓測試儀，測試了純硅橡膠和1%-7%納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的擊穿場強.試驗電源電壓0-50kV，上下電極直徑分別為25mm和75mm，試驗在變壓器油中進行，采用手動升壓，升壓速度約為0.5kV/s.

3.2試驗結(jié)果

固體絕緣材料的擊穿場強受很多因素影響，是一個統(tǒng)計值，純硅橡膠和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物擊穿場強的威布爾分布如圖4所示，擊穿場強與納米碳化硅含量的關(guān)系如圖5所示，可以看出，復(fù)合物的擊穿場強隨碳化硅含量的增加先增加后降低.當(dāng)納米碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時擊穿場強達到最大值33.30 kV/mm.

3.3結(jié)果分析

納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物擊穿場強隨碳化硅含量的增加而增加，當(dāng)碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時達到最大值，這一變化規(guī)律與文的研究一致，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是復(fù)合物中加入的納米無機物限制了基體分子鏈的運動，減小了自由體積，提高了材料的固有介電強度，而當(dāng)納米無機物含量繼續(xù)增加時，納米顆粒間的距離減小，甚至出現(xiàn)界面重疊現(xiàn)象，由于無機相與有機相間的界面區(qū)域使載流子運動更加容易，導(dǎo)致出現(xiàn)逾滲現(xiàn)象，降低了復(fù)合物的擊穿場強.

4 結(jié) 論

本文研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%的納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介電譜特性和擊穿特性，得到以下結(jié)論：

1）納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介電常數(shù)隨碳化硅含量的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢，但是在頻率低于1Hz時，納米碳化硅的加入降低了硅橡膠的介電常數(shù).

2）在頻率高于1kHz時，納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量的增加而增加，在頻率低于50Hz時，復(fù)合物的介質(zhì)損耗角正切隨納米碳化硅含量增加而降低.

3）納米碳化硅/硅橡膠復(fù)合物的擊穿場強隨碳化硅含量的增加表現(xiàn)為先增加后降低，在納米碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，復(fù)合物的擊穿場強達到最大值。