馬超 閔道敏?李盛濤 鄭旭 李西育 閔超 湛海涯

1)(西安交通大學(xué),電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

2)(西安西電電氣研究院有限責(zé)任公司技術(shù)研究中心,西安 710077)

3)(西安西電電力電容器有限責(zé)任公司研發(fā)處,西安 710082)

(2016年11月30日收到;2016年12月10日收到修改稿)

聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的陷阱與直流擊穿特性?

馬超1)閔道敏1)?李盛濤1)鄭旭1)李西育2)閔超2)湛海涯3)

1)(西安交通大學(xué),電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

2)(西安西電電氣研究院有限責(zé)任公司技術(shù)研究中心,西安 710077)

3)(西安西電電力電容器有限責(zé)任公司研發(fā)處,西安 710082)

(2016年11月30日收到;2016年12月10日收到修改稿)

聚丙烯電介質(zhì)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)是影響其儲(chǔ)能密度的關(guān)鍵因素,納米氧化鋁摻雜是一種提高聚合物電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的有效方法,因此有必要開(kāi)展聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)直流擊穿特性的研究.為了探究其直流擊穿機(jī)理,通過(guò)熔融共混法制備了聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)試樣,觀察了其顯微結(jié)構(gòu),并對(duì)其表面電位衰減特性、體電阻率和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行了測(cè)試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著納米氧化鋁含量的增加,深陷阱能級(jí)和密度、體電阻率和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)納米氧化鋁含量為0.5 w t%時(shí)出現(xiàn)最大值,其中,直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)相比于未摻雜時(shí)可提高27%左右.根據(jù)納米電介質(zhì)交互區(qū)模型,分析了聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)和陷阱參數(shù)之間的關(guān)系.基于空間電荷擊穿理論,利用陷阱參數(shù)對(duì)聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)直流擊穿機(jī)理進(jìn)行了探討.認(rèn)為交互區(qū)為聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)提供了更多深陷阱,而深陷阱能級(jí)和密度在較高納米摻雜量時(shí)出現(xiàn)不同程度的降低可能是由雙電層模型交互區(qū)重疊所致;深陷阱能級(jí)和密度的增加可降低載流子的注入量,進(jìn)而提高其體電阻率和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng).

聚丙烯,納米電介質(zhì),直流擊穿場(chǎng)強(qiáng),陷阱

1 引 言

聚丙烯具有良好的介電、機(jī)械、耐熱及耐腐蝕特性,廣泛地應(yīng)用于電力電容器中[1,2].為了減小電容器的體積、降低成本,需要進(jìn)一步提高電力電容器的儲(chǔ)能密度[3?5].對(duì)于線性電介質(zhì),儲(chǔ)能密度可表示為

其中,U為電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度,ε0為真空的介電常數(shù),εr為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),Eb為電介質(zhì)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng).顯然,電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比.因此,提高電介質(zhì)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)是一種有效提高其儲(chǔ)能密度的方法.通常,人們采用改變球晶尺寸[6]、分子鏈取向[7]、分子鏈交聯(lián)[8]等方法來(lái)改變聚丙烯的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高其直流擊穿場(chǎng)強(qiáng).

納米粒子摻雜作為一種有效提高聚合物電介質(zhì)直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的方法,受到了越來(lái)越多的關(guān)注[4,9].為了解釋納米電介質(zhì)界面處的物理化學(xué)性質(zhì),國(guó)外學(xué)者相繼提出雙電層模型[10]、多核模型[11]、體積模型[12]等.國(guó)內(nèi)Li等[13]提出了納米電介質(zhì)交互區(qū)結(jié)構(gòu)模型,此模型可以很好地解釋環(huán)氧和聚乙烯等納米電介質(zhì)短時(shí)擊穿和長(zhǎng)時(shí)損傷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.國(guó)內(nèi)學(xué)者在聚丙烯電介質(zhì)電荷存儲(chǔ)及聚丙烯納米電介質(zhì)耐電樹(shù)枝化等方面做了大量的研究工作[14?17],對(duì)了解聚丙烯納米電介質(zhì)電荷輸運(yùn)特性及其直流擊穿機(jī)理具有重要意義.芬蘭學(xué)者研究了納米摻雜對(duì)聚丙烯電介質(zhì)直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響,其中,Takala等[18]發(fā)現(xiàn)5 w t%納米二氧化硅摻雜可提高聚丙烯電介質(zhì)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng),Virtanen等[19]研究了不同納米碳酸鈣含量對(duì)聚丙烯電介質(zhì)的介電性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米粒子含量較少(1.8 w t%)時(shí),直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大. Ryt?luot等[20]在聚丙烯/氧化硅納米電介質(zhì)中同樣發(fā)現(xiàn),當(dāng)納米氧化硅的摻雜量較少(～1 w t%)時(shí),直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)最大值.納米氧化鋁作為典型的無(wú)機(jī)納米填料常被用于改善聚合物電介質(zhì)的電氣性能[21],其中,Kozako等[22]指出納米氧化鋁摻雜可提高環(huán)氧電介質(zhì)的局部放電耐受能力且延長(zhǎng)電氣擊穿時(shí)間;王威望[23]對(duì)聚乙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)果表明少量的納米氧化鋁摻雜(～0.5 w t%),可顯著提高聚乙烯電介質(zhì)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng),且基本不會(huì)引起介質(zhì)損耗的增加.綜上所述,納米氧化鋁摻雜是一種有效提高聚合物電介質(zhì)直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)以及儲(chǔ)能密度的方法,因此有必要開(kāi)展聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)直流擊穿特性及其內(nèi)在機(jī)理的研究.

本文首先通過(guò)熔融共混法制備聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì),采用熱壓法制備厚度約為100μm的試樣.利用高倍電子掃描顯微鏡觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu),同時(shí),測(cè)試其表面電位衰減特性、體電阻率和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng).然后,利用等溫表面電位衰減模型[24]提取陷阱參數(shù),并依據(jù)納米電介質(zhì)交互區(qū)模型[10,11],結(jié)合聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu),對(duì)其陷阱參數(shù)進(jìn)行分析.最后,根據(jù)聚合物電介質(zhì)電導(dǎo)機(jī)制[25,26]和空間電荷擊穿理論[27],通過(guò)陷阱參數(shù)對(duì)聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)電導(dǎo)和直流擊穿特性機(jī)理進(jìn)行探討.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材料選擇

顆粒狀(直徑約為3 mm)的聚丙烯樹(shù)脂由北歐化工生產(chǎn),型號(hào)為HC312BF,熔融指數(shù)為3.2 g/10 m in,等規(guī)度為96%.經(jīng)過(guò)γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑(KH570)表面修飾的納米氧化鋁由德科島金生產(chǎn),純度≥99.99%.

2.2 試樣制備

首先,采用密煉機(jī)(PolyLab QC)通過(guò)熔融共混法制備聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì),納米氧化鋁的含量分別為0.5 w t%,1.0 w t%,2.0 w t%.混煉溫度為175?C,混煉時(shí)間為10m in,轉(zhuǎn)速為40 r/m in.在防止材料老化的前提下,使納米粒子盡可能均勻地分散在聚丙烯基體中.為了進(jìn)行性能對(duì)比,純的聚丙烯也通過(guò)同樣的混煉工藝制備.

然后,通過(guò)熱壓法制備了厚度約為100μm的試樣.無(wú)壓力下預(yù)熱,預(yù)熱時(shí)間15 m in,在壓強(qiáng)10MPa下熱壓,熱壓溫度240?C,熱壓時(shí)間10m in,之后經(jīng)過(guò)水冷在無(wú)外施壓力的情況下將溫度降至22?C.

2.3 高倍掃描電子顯微鏡

試樣經(jīng)過(guò)淬斷后,采用高倍掃描電子顯微鏡(SU6600)觀察其斷面結(jié)構(gòu),用于分析納米氧化鋁在聚丙烯電介質(zhì)中的分散情況.

2.4 等溫表面電位衰減實(shí)驗(yàn)

圖1給出了等溫表面電位衰減實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.如圖1所示,等溫表面電位衰減實(shí)驗(yàn)可分為充電過(guò)程和測(cè)試過(guò)程.以負(fù)極性電壓為例,對(duì)于充電過(guò)程,在充電電壓的作用下,針型電極逸出的高能電子會(huì)與空氣中的中性分子發(fā)生碰撞,從而產(chǎn)生新的電子和正離子,新產(chǎn)生的電子可與中性分子結(jié)合產(chǎn)生負(fù)離子,在負(fù)極性電壓的作用下,負(fù)離子會(huì)加速運(yùn)動(dòng)直至沉積在試樣表面,其中,柵極電壓主要起均壓作用.對(duì)于測(cè)試過(guò)程,表面沉積的負(fù)離子通過(guò)交換過(guò)程使得電子進(jìn)入試樣表面,這部分電子在自建電場(chǎng)的作用下,向接地電極方向遷移,進(jìn)而改變了試樣的表面電位.本文中充電電壓為?13 kV,柵極電壓為?3 kV,充電時(shí)間為3 m in,待試樣充電過(guò)程完成后,迅速將試樣移至表面電位探測(cè)器的下方,開(kāi)始測(cè)試并記錄數(shù)據(jù),測(cè)試時(shí)間為150m in,采樣頻率為1 Hz,測(cè)試溫度為33?C,濕度為49%RH.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)等溫表面電位衰減實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1.(color on line)Schem atic diagram of the experim ental setup for isotherm al su rface potential decay.

2.5 體電阻率實(shí)驗(yàn)

體電阻率測(cè)試系統(tǒng)(6517 Hi-R test)由KEITH LEY公司生產(chǎn).電極形狀為圓柱形,直徑為50mm,測(cè)試電壓為1 kV,測(cè)試次數(shù)為11次,有效次數(shù)為8次,8次實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大誤差小于20%時(shí)視為有效數(shù)據(jù)并保存.測(cè)試溫度為33?C,濕度為55%RH.

2.6 直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試系統(tǒng)采用直徑為25 mm的球球電極,將其置于變壓器油中以防止在擊穿實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生沿面閃絡(luò)現(xiàn)象.測(cè)試溫度為33?C,升壓速率為2 kV/s.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 高倍掃描電子顯微鏡觀測(cè)結(jié)果

圖2給出了不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)斷面的高倍掃描電子顯微結(jié)構(gòu).試樣斷面的顯微結(jié)構(gòu)表明,納米粒子均能較為均勻地分散于聚丙烯基體中,隨著納米粒子濃度的增加,納米粒子表面間距將不斷減小.根據(jù)Nano Measurer的分析結(jié)果,納米粒子粒徑集中在40—60 nm之間,且當(dāng)納米氧化鋁的含量為1.0 w t%時(shí),納米粒子表面間距主要集中在110—130 nm之間,當(dāng)納米氧化鋁的含量為2.0 w t%時(shí),納米粒子表面間距主要集中在80—100 nm之間.由于圖片中納米粒子可能不在一個(gè)平面,因此,納米粒子實(shí)際間距應(yīng)大于標(biāo)稱值.

3.2 等溫表面電位衰減測(cè)試結(jié)果

圖3給出了不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的等溫表面電位衰減測(cè)試結(jié)果,為便于分析,圖中使用表面電位的絕對(duì)值.

根據(jù)等溫表面電位衰減模型[24],聚合物電介質(zhì)的陷阱能級(jí)和密度可分別表示為

其中,Et為陷阱能級(jí),k為玻爾茲曼常數(shù),T為卡爾文溫度,t為時(shí)間,N(Et)為陷阱密度,φs為試樣的表面電位,e為基本電荷量,L為試樣的厚度; f0(Et)為等效的費(fèi)米能級(jí),本文取f0(Et)=0.5; υ為載流子試圖逃逸頻率,υ=(kT)3/dh3v2[26],其中,d為陷阱電荷躍遷方向的數(shù)量,本文取d=6,h為普朗克常數(shù),v為陷阱電荷的振動(dòng)頻率,本文取v=1012Hz.

結(jié)合(2)式和(3)式,便可根據(jù)等溫表面電位衰減的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取陷阱參數(shù),結(jié)果如圖4所示,可以看出,納米氧化鋁摻雜引入了深陷阱,當(dāng)納米氧化鋁含量為0.5 w t%時(shí),聚丙烯納米電介質(zhì)的深陷阱能級(jí)和密度達(dá)到最大值,但是隨著納米氧化鋁的含量進(jìn)一步增加,深陷阱的能級(jí)和密度則會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降.

圖2 不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)斷面的高倍掃描電子顯微結(jié)構(gòu) (a)0 w t%;(b)0.5 w t%; (c)1.0 w t%;(d)2.0 w t%Fig.2.High power scanning electron m icroscop ic structu re of the section of PP/A l2O3nanod ielectrics w ith diff erent nano-particle contents:(a)0 w t%;(b)0.5 w t%;(c)1.0 w t%;(d)2.0 w t%.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)等溫表面電位衰減實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3.(color online)Experim ental resu lts of isotherm al su rface potential decay for PP/A l2O3nanodielectrics w ith diff erent nano-particle contents.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的陷阱參數(shù)Fig.4.(color on line)Trap param eters of PP/A l2O3nanodielectricsw ith diff erent nano-particle contents.

3.3 體電阻率測(cè)試結(jié)果

圖5給出了不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的體電阻率測(cè)試結(jié)果.從圖5可以看出,隨著納米粒子含量的增加,聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的體電阻率基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),其中,納米氧化鋁含量為0.5 w t%時(shí),聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的體電阻率達(dá)到最大值.

圖5 不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的體電阻率Fig.5.Bu lk resistivity of PP/A l2O3nanodielectrics w ith diff erent nano-particle contents.

3.4 直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

圖6給出了不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的兩參數(shù)威布爾分布圖.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的兩參數(shù)威布爾分布Fig.6.(color on line)Two-param eter W eibu ll-distribu tion p lot of b reakdown strength for PP/A l2O3nanod ielectrics w ith diff erent nano-particle contents.

兩參數(shù)的威布爾分布可表示為

其中,i為擊穿場(chǎng)強(qiáng)從小到大的排序(i=1, 2,···,n),n為同一試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試次數(shù),Pi是編號(hào)為i的擊穿場(chǎng)強(qiáng)累積概率,Ebi是編號(hào)為i的擊穿場(chǎng)強(qiáng),α為累積概率為63.2%所對(duì)應(yīng)的特征擊穿場(chǎng)強(qiáng),β為形狀分布參數(shù).經(jīng)過(guò)線性擬合后,可得到不同納米粒子含量的特征擊穿場(chǎng)強(qiáng)α和形狀分布參數(shù)β,如圖7所示.從圖7可看出,隨著納米氧化鋁含量的增加,直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)先升高后降低,當(dāng)納米氧化鋁含量為0.5 w t%時(shí),直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)最大值,相比于未摻雜時(shí)直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)可提高27%左右.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)特征擊穿場(chǎng)強(qiáng)和形狀分布參數(shù)Fig.7.(color on line)Characteristic b reakdown strength and shape factor of PP/A l2O3nanod ielectricsw ith d iff erent nano-particle contents.

4 討 論

4.1 微觀結(jié)構(gòu)和陷阱參數(shù)的關(guān)系

聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的淺陷阱和深陷阱中心參數(shù)如表1所列.從表1可以看出,納米氧化鋁摻雜增加了聚丙烯電介質(zhì)的深陷阱能級(jí)和密度,同時(shí)降低了其淺陷阱能級(jí)和密度.當(dāng)納米氧化鋁的含量為0.5 w t%時(shí),聚丙烯納米電介質(zhì)的深陷阱能級(jí)和密度達(dá)到了最大值.但是,隨著納米氧化鋁含量的進(jìn)一步增加,深陷阱的能級(jí)和密度出現(xiàn)不同程度的降低.

根據(jù)納米電介質(zhì)交互區(qū)模型[10?13],聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的深陷阱可認(rèn)為是由交互區(qū)提供的,而淺陷阱變少可能是因?yàn)榻换^(qū)改變了聚丙烯電介質(zhì)的分子鏈移動(dòng)性、分子鏈構(gòu)象及結(jié)晶度等.為了探討聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)在高摻雜量下深陷阱能級(jí)和密度下降的原因,有必要對(duì)納米電介質(zhì)的交互區(qū)厚度和納米粒子表面間距進(jìn)行定量分析.對(duì)于納米電介質(zhì)交互區(qū)厚度,不同模型交互區(qū)的厚度是不同的,其中,Lew is的雙電層模型[10]認(rèn)為納米電介質(zhì)交互區(qū)為古伊-查普曼擴(kuò)散層(Gouy-Chapman diff use double layer),厚度約為100 nm,而Tanaka的多核模型[11]認(rèn)為納米電

表1 不同納米粒子含量的聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的淺陷阱和深陷阱中心參數(shù)Tab le 1.The center param eters of shallow and deep traps for PP/A l2O3nanod ielectrics w ith d iff erent nano-particle contents.

介質(zhì)交互區(qū)包括緊致層(bond layer)和松散層(loose layer),厚度分別為10 nm和30 nm左右.對(duì)于納米粒子表面間距,考慮球狀的納米粒子按簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)均勻地分散于聚合物電介質(zhì)中,則納米粒子表面間距D可表示為[11]

其中,ρn和ρm分別為納米粒子和聚合物電介質(zhì)的質(zhì)量密度,d為納米粒子的粒徑.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)納米粒子表面間距和納米粒子含量的關(guān)系Fig.8.(color on line)The relationship between interparticle d istance and particle loading.

對(duì)于聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì),ρn/ρm≈4.24,根據(jù)(5)式可得納米氧化鋁摻雜量和納米粒子表面間距的關(guān)系,如圖8所示.從圖8可以看出,當(dāng)納米粒子的粒徑分別為20,40及60 nm時(shí),古伊-查普曼擴(kuò)散層分別在納米氧化鋁含量約為0.2 w t%,1 w t%及3 w t%時(shí)開(kāi)始發(fā)生重疊,而松散層分別在納米氧化鋁含量約為1.5 w t%,10 w t%及大于10 w t%(約為40 w t%)時(shí)開(kāi)始發(fā)生重疊.結(jié)合高倍掃描電子顯微鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,納米粒子粒徑集中于40—60 nm之間,當(dāng)納米氧化鋁含量為1 w t%時(shí),納米粒子表面間距集中于(實(shí)際應(yīng)大于) 110—130 nm.這一結(jié)果與納米粒子粒徑為40 nm時(shí)計(jì)算得到的納米粒子表面間距(204 nm)基本一致,因此可認(rèn)為實(shí)際納米粒徑約為40 nm.在此粒徑下,雙電層模型交互區(qū)開(kāi)始發(fā)生重疊的納米摻雜量約為1 w t%,與深陷阱能級(jí)和密度開(kāi)始降低的納米摻雜量一致,而多核模型交互區(qū)開(kāi)始發(fā)生重疊的納米摻雜量約為10%,故認(rèn)為聚丙烯/氧化鋁電介質(zhì)深陷阱能級(jí)和密度在較高納米摻雜量(約1 w t%)開(kāi)始降低是由于雙電層模型交互區(qū)(古伊-查普曼擴(kuò)散層)重疊所致.

4.2 陷阱參數(shù)和體電阻率及直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系

深陷阱能級(jí)和密度對(duì)體電阻率及直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響如圖9所示,可以看出體電阻率和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)基本隨著深陷阱能級(jí)和密度的增加而增加.

聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的電荷輸運(yùn)特性取決于載流子的注入和傳導(dǎo)過(guò)程.載流子的注入機(jī)制包括肖特基(Schottky)注入和富勒-諾德海姆(Fow ler-Nordheim)注入[25,26],由于聚丙烯電介質(zhì)是典型的半結(jié)晶聚合物,其局域態(tài)存在大量陷阱能級(jí),注入的載流子以費(fèi)米-狄拉克(Ferm i-Dirac)統(tǒng)計(jì)在這些能級(jí)上進(jìn)行分布,并通過(guò)跳躍電導(dǎo)、普爾-弗蘭克爾電導(dǎo)、空間電荷限制電流及隧道電流等方式在電介質(zhì)內(nèi)部傳導(dǎo).對(duì)于聚丙烯電介質(zhì),一般認(rèn)為載流子傳導(dǎo)方式以跳躍電導(dǎo)和普爾-弗蘭克爾電導(dǎo)為主[28?30].圖10給出了聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)載流子(以電子為例)傳導(dǎo)示意圖.如圖10所示,在外施電場(chǎng)作用下,對(duì)于中性陷阱,電子沿著電場(chǎng)反方向遷移所需勢(shì)壘將降低Δ?h,而沿著電場(chǎng)方向遷移所需勢(shì)壘將上升Δ?h,進(jìn)而產(chǎn)生跳躍電導(dǎo);對(duì)于庫(kù)侖陷阱,電介質(zhì)導(dǎo)帶的能級(jí)發(fā)生傾斜,脫陷勢(shì)壘降低Δ?PF,因而電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶,從而形成普爾-弗蘭克爾電導(dǎo).具體地,在電場(chǎng)作用下跳躍電導(dǎo)和普爾-弗蘭克爾電導(dǎo)中電子等效脫陷能級(jí)?eff可分別表示為

圖9 (網(wǎng)刊彩色)(a)深陷阱能級(jí)和(b)密度對(duì)體電阻率和直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響Fig.9.(color on line)The in fl uences of(a)the energy and(b)the density of deep traps on the bu lk resistivity and dc breakdow n strength.

圖10 聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)電子傳導(dǎo)示意圖,其中,E為能級(jí);N(E)為能級(jí)密度;Eext為外施電場(chǎng);?h,?PF為無(wú)電場(chǎng)作用下跳躍電導(dǎo)和普爾-弗蘭克爾電導(dǎo)中電子陷阱能級(jí);Δ?h,Δ?PF為電場(chǎng)作用下跳躍電導(dǎo)和普爾-弗蘭克爾電導(dǎo)中電子脫陷能級(jí)減少量Fig.10.Schem atic of electron transport in PP/A l2O3nanod ielectrics.E is energy level,N(E)is energy density,Eextis an ex ternal electric field,?hand?PFare the energy of electron trap w ithou t the ex ternal electric field in hopp ing conduction and Poole-Frenkel conduction,respectively,Δ?handΔ?PFare the energy of electron detrapp ing in the p resence of the ex ternal electric field in hopp ing conduction and Poole-Frenkel conduction,respectively.

其中,?h和?PF分別為無(wú)電場(chǎng)作用下跳躍電導(dǎo)和普爾-弗蘭克爾電導(dǎo)中電子陷阱能級(jí),Eext為外施電場(chǎng),λ為電子的平均自由程.根據(jù)(6)式可得,電介質(zhì)陷阱能級(jí)和載流子等效脫陷能級(jí)正相關(guān).因此,當(dāng)聚丙烯氧化鋁納米電介質(zhì)深陷阱能級(jí)增加,更多的同極性電荷由于等效脫陷能級(jí)的升高而將被限制到電介質(zhì)表面.這些同極性電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)(與外施電場(chǎng)方向相反)會(huì)減小載流子注入等效電場(chǎng),進(jìn)而降低載流子的注入量.同樣,深陷阱密度的增加,也會(huì)使更多載流子限制在電介質(zhì)表面,并最終導(dǎo)致載流子的注入量降低.因此,聚丙烯電介質(zhì)深陷阱能級(jí)和密度的增加,可降低載流子的濃度,進(jìn)而提高其體電阻率.空間電荷擊穿理論認(rèn)為[24],聚合物電介質(zhì)體內(nèi)陷阱空間電荷導(dǎo)致內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變,從而降低電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng).由于聚丙烯電介質(zhì)在室溫條件(T=25?C)下電場(chǎng)強(qiáng)度約為10 MV/m時(shí)便有載流子注入[31],考慮到本文中聚丙烯電介質(zhì)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為300 MV/m,溫度T=33?C,可認(rèn)為聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)在擊穿前會(huì)有大量載流子注入,由于深陷阱能級(jí)和密度的增加,更多的同極性電荷被限制在電介質(zhì)表面,導(dǎo)致載流子注入量降低,從而減弱陷阱空間電荷引起的電場(chǎng)畸變,提高聚丙烯電介質(zhì)的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng).

5 結(jié) 論

結(jié)合聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)、陷阱參數(shù)、體電阻率及直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)試結(jié)果,從陷阱的角度出發(fā),探討了深陷阱對(duì)聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的作用機(jī)制,主要結(jié)論如下.

1)聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的深陷阱能級(jí)和密度隨納米粒子含量的增加基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)納米氧化鋁含量為0.5 w t%時(shí),深陷阱能級(jí)和密度達(dá)到最大值.結(jié)合聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)和陷阱參數(shù),認(rèn)為深陷阱能級(jí)和密度的增加是由于納米電介質(zhì)交互區(qū)的作用,而深陷阱能級(jí)和密度在較高摻雜量時(shí)開(kāi)始降低可能是由于雙電層模型交互區(qū)(古伊-查普曼擴(kuò)散層)重疊所致.

2)直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著納米氧化鋁含量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),當(dāng)納米氧化鋁含量為0.5 w t%時(shí)出現(xiàn)最大值,其中,直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)可提高27%左右.結(jié)合聚丙烯/氧化鋁納米電介質(zhì)陷阱參數(shù),認(rèn)為深陷阱能級(jí)和密度的增加,更多的同極性電荷會(huì)被限制在電介質(zhì)表面,降低載流子注入等效電場(chǎng),減少載流子的注入量,進(jìn)而減弱陷阱空間電荷引起的電場(chǎng)畸變,并最終導(dǎo)致直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)提高.

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PACS:77.84.Jd,81.07.Pr,77.22.Jp,68.35.DvDOI:10.7498/aps.66.067701

Trap d istribu tion and d irect cu rrent b reakdow n characteristics in polyp ropy lene/A l2O3nanod ielectrics?

Ma Chao1)M in Dao-M in1)?Li Sheng-Tao1)Zheng Xu1)Li Xi-Yu2)M in Chao2)Zhan Hai-Xia3)

1)(State Key Laboratory of E lectrical Insu lation and Power Equipm ent,X i’an Jiaotong University,X i’an 710049,China)
2)(Technical Research Center,X i’an E lectric Research Institute Co.LTD.,X i’an 710077,China)
3)(Research and developm ent Departm ent,X i’an XD Power Capacitor Co.LTD.,X i’an 710082,China)
(Received 30 Novem ber 2016;revised m anuscrip t received 10 Decem ber 2016)

Polyp ropylene(PP)is w idely used as capacitor fi lm s due to its better dielectric,mechanical,and thermal perform ance.In order to reduce the cost and size of capacitor,high energy density for PP dielectric is pursued.Since energy density is in quad ratic proportion to direct current(dc)breakdown strength for linear dielectric,the enhancem ent of dc breakdown strength for PP dielectric is a p rimary choice to im prove the energy density.Considering that the incorporation of nano-A l2O3is an eff ectivem ethod to im p rove the dc breakdown strength for polym er,it is required to study the dc breakdown strength of PP/A l2O3nanodielectric.

In order to exp lore the breakdown mechanism,PP/A l2O3nanodielectricsw ith diff erent nano-particle contents are prepared by m elt b lending,and the sam p les are p repared by hot p ressing.Their m icrostructures are observed by scanning electron m icroscopic.Isotherm al surface potential decay,bu lk resistivity,and dc breakdown strength of the sam p les are also measured.The experimental results show that the energy and density of deep traps,bulk resistivity,and dc breakdown strength fi rst increase and then decrease w ith the increase in nano-A l2O3content.Them aximum values are obtained at a fi ler content value of 0.5 w t%,where dc breakdown strength can be increased by about 27%.Based on interfacemodel,the relation betweenm icrostructure and trap is investigated.In view of space charge breakdown theory, the m echanism of dc breakdown for PP/A l2O3nanodielectric is exp lored by trap param eters.It is indicated that the interface can p rovidemore deep traps in PP/A l2O3nanodielectric,while the decrease in the energy and density of deep traps can be attributed to the overlap of interfaces in electrical doub le layer.The increase in the energy and density of deep trapsm akesm ore carriers trapped near the in jecting contact,thus reducing the eff ective field for carrier in jection due to the internal field generated by the trapped carriers.The reduction of carrier injection canmoderate the distortion of field in PP dielectric,consequently,resulting in enhancing the dc breakdown strength.

polypropylene,nanodielectric,direct current breakdown strength,trap

10.7498/aps.66.067701

?國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2015CB 251003)、清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(批準(zhǔn)號(hào):SKLD 16KZ04)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):2014M 552449)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(批準(zhǔn)號(hào):xjj2014022)和西安交通大學(xué)“新教師支持計(jì)劃”(批準(zhǔn)號(hào):DW SQc130000008)資助的課題.

?通信作者.E-m ail:forrestm in@xjtu.edu.cn

*Pro ject supported by the National Basic Research Program of China(G rant No.2015CB 251003),the Open Fund Project of State Key Laboratory of Power System of Tsinghua University,China(G rant No.SK LD 16KZ04),the China Postdoctoral Science Foundation(Grant No.2014M 552449),the Fundam ental Research Fund for the Central Universities,China(Grant No.x jj2014022),and the Program for New Teacher of X i’an Jiaotong University,China(G rant No.DW SQc130000008).

?Corresponding author.E-m ail:forrestm in@x jtu.edu.cn