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        BN-PVDF復(fù)合介質(zhì)的電氣絕緣特性研究

        2022-07-04 08:45:45商行劉淑華文大禹
        科學(xué)與財(cái)富 2022年5期
        關(guān)鍵詞:氮化硼

        商行 劉淑華 文大禹

        摘 要:本研究以微米級(jí)氮化硼(BN)顆粒為改性劑,以聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物為基體材料,采用溶液涂覆法制摻雜比例分別為3%和7%的BN-PVDF復(fù)合薄膜樣品,通過(guò)電壓擊穿試驗(yàn)儀進(jìn)行擊穿電壓測(cè)試,利用威布爾分布法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)比分析BN摻雜含量對(duì)PVDF復(fù)合材料的電氣絕緣性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),3%低摻雜的復(fù)合材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)為257.46 kV/mm,是7% BN-PVDF復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)值206.18kV/mm的1.25倍,提高了25%,更有益于改善復(fù)合材料的電氣絕緣性能。

        關(guān)鍵詞:氮化硼;PVDF;擊穿場(chǎng)強(qiáng)

        一 引言

        隨著新能源的開發(fā)利用,電能轉(zhuǎn)換器件向著微型化和柔性化方向發(fā)展,越發(fā)要求其中介質(zhì)材料具有更高的能量存儲(chǔ)密度和效率以及良好的散熱特性。尤其是聚合物電介質(zhì)材料,作為固體薄膜電容器的良好媒介,其優(yōu)異的介電特性、絕緣特性、儲(chǔ)能特性和導(dǎo)熱特性是介質(zhì)利用的最終目標(biāo)。例如,聚偏二氟乙烯(PVDF)鐵電聚合物材料,具有良好的壓電性能、介電特性、絕緣特性和易于加工等特點(diǎn),已經(jīng)成為儲(chǔ)能介質(zhì)領(lǐng)域的典型研究材料。同時(shí),PVDF也是一種氟基工程塑料,其穩(wěn)定的化學(xué)特性和易于成膜的可塑性,可用來(lái)作為電化學(xué)儲(chǔ)能用電池中的隔膜材料,作為光伏太陽(yáng)能電池背板絕緣介質(zhì),也可作為儲(chǔ)能電容器耐高壓介質(zhì)材料,在新能源領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前,PVDF成膜的多采用溶液涂覆法,成膜的化學(xué)特性、介電特性、絕緣性能都可達(dá)到一定的應(yīng)用水平。但是,對(duì)應(yīng)PVDF基復(fù)合材料而言,通過(guò)摻雜高導(dǎo)熱填料來(lái)改善其散熱特性的同時(shí),復(fù)合材料的絕緣特性有所下降;其絕緣性能的劣化對(duì)其在薄膜電容器中的潛在應(yīng)用價(jià)值顯著降低。為此,本研究針對(duì)氮化硼(BN)改性的PVDF基復(fù)合材料,探索不同BN摻雜比例對(duì)PVDF材料絕緣性能的影響規(guī)律,指導(dǎo)對(duì)PVDF基復(fù)合材料的有效開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),本研究具有工程價(jià)值。

        二 樣品制備與測(cè)試

        樣品制備所用原材料為:PVDF(FR904)粉末,上海三愛(ài)富新材料科技有限公司產(chǎn)品;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;六方氮化硼(BN),阿拉丁試劑(上海)有限公司。

        樣品制備過(guò)程:在室溫磁力攪拌狀態(tài)下,量取一定量的DMF溶劑,向其中緩慢加入一定量BN粉末,超聲攪拌振蕩30min。向上述溶液中緩慢地加入一定量PVDF粉末,攪拌6h,獲得粘稠白色混合漿液。靜置12h,將其均勻涂覆在潔凈的玻璃板上,置于80℃烘干,獲得BN-PVDF復(fù)合薄膜材料;其中,BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和7%,薄膜厚度為20微米。

        樣品的高壓擊穿測(cè)試過(guò)程:3% BN-PVDF復(fù)合薄膜和7% BN-PVDF復(fù)合薄膜,制作40cm40cm正方形尺寸的測(cè)試試樣。利用DDJ-50KV電壓擊穿試驗(yàn)儀進(jìn)行試樣在絕緣油環(huán)境下的直流擊穿測(cè)試。測(cè)試儀器設(shè)置保護(hù)電流10~15A和升壓速度為0.1kV/s。

        三 結(jié)果與討論

        (一) BN-PVDF復(fù)合試樣高壓直流擊穿測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        表1為兩種摻雜比例的BN-PVDF復(fù)合樣品試樣測(cè)試的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值統(tǒng)計(jì)。每種試樣測(cè)試前進(jìn)行烘干處理后,都進(jìn)行10次直流擊穿測(cè)試,分布記錄每次的擊穿時(shí)系統(tǒng)保存的擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值。10次擊穿測(cè)試樣品數(shù)能夠保證后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的可信度。從表1中可以看出,3%的試樣測(cè)試數(shù)值都比7%的大,說(shuō)明BN低摻雜比例下對(duì)PVDF材料的擊穿是有利的,獲得更高的瞬時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)值。另外,兩種試樣的測(cè)試數(shù)據(jù)都比較集中,說(shuō)明記錄的數(shù)據(jù)可信度較高。

        (二) BN摻雜量對(duì)PVDF絕緣性影響

        對(duì)上述表1中兩種摻雜比例的BN-PVDF測(cè)試試樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行威布爾分布擬合,結(jié)果如圖1所示。圖1中點(diǎn)為試樣試驗(yàn)值,直線為擬合曲線。從圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)分布及擬合曲線位置可以看出,威布爾分布擬合結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值匹配較好。3%摻雜的試樣擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于7%摻雜的試樣,其擬合擊穿場(chǎng)強(qiáng)分別為206.18kV/mm和257.46 kV/mm;并且,對(duì)應(yīng)的擬合形狀因子值分別為27.44和20.99,說(shuō)明數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻,分散程度較低,其可靠性較高。3% BN-PVDF復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)值是7% BN-PVDF復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)值的1.25倍,說(shuō)明低含量3%BN摻雜下的PVDF復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比高含量7%摻雜的復(fù)合材料提高了25%。上述分析表明,少量BN摻雜的PVDF復(fù)合材料具有較高的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng),其耐受高電壓能力較強(qiáng),明顯高于高摻雜下的復(fù)合材料。因此,在BN摻雜改性PVDF電氣絕緣性能時(shí),趨于低摻雜用量能夠更有效提高復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)值,改善材料的電氣絕緣性能。

        四 結(jié)束語(yǔ)

        本研究對(duì)3% BN-PVDF復(fù)合材料和7% BN-PVDF復(fù)合材料進(jìn)行在絕緣油環(huán)境下的高壓直流擊穿測(cè)試,研究不同摻雜比例的BN對(duì)PVDF復(fù)合材料的電氣絕緣性能的影響規(guī)律。利用威布爾分布擬合方法,分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,3%摻雜的復(fù)合材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)為257.46 kV/mm,是7% BN-PVDF復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)值206.18kV/mm的1.25倍,耐直流高壓能力提高了25%。趨于低摻雜用量能夠更有效提高BN-PVDF復(fù)合材料的直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)值,改善材料的電氣絕緣性能。

        作者簡(jiǎn)介:商行(1990-),女,漢族,綏化學(xué)院講師,碩士,從事電氣工程領(lǐng)域研究。

        基金項(xiàng)目:黑龍江省省屬高等學(xué)?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(KYYWF10236180210);黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(202110236023)

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