李 旭， 李 賀， 郭 歌， 曹 晨， 吳 明， 高景暉

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048；2.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，陜西 西安 710049；3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司安康水力發(fā)電公司，陜西 安康 725000；4.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司商洛供電公司，陜西 商洛 726000）

0 引 言

大力發(fā)展可再生能源，逐步提高新能源在電力系統(tǒng)中的占比，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)全球能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。在不同類型清潔能源中，風(fēng)能發(fā)展最為迅猛，且占有最大的容量比例和市場(chǎng)份額[2]。截至2021年，全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò)800 GW，每年新增裝機(jī)容量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)促進(jìn)了風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)風(fēng)電裝備技術(shù)等提出了更高的要求。

扭轉(zhuǎn)電纜是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中連接電機(jī)和桿塔的重要電力裝備，需要同時(shí)承受機(jī)械、電、熱的聯(lián)合作用，并且在風(fēng)機(jī)容量大型化發(fā)展趨勢(shì)下，扭轉(zhuǎn)電纜的電壓等級(jí)逐步從35 kV 發(fā)展至66 kV 和110 kV，這對(duì)電纜絕緣材料的電氣性能和力學(xué)性能提出了更高的要求。

三元乙丙橡膠（EPDM）是目前風(fēng)電扭轉(zhuǎn)電纜主要使用的絕緣材料，它是以乙烯、丙烯和非共軛二烯烴為單體共聚而成的人工合成橡膠[3-4]，具有優(yōu)良的耐熱、耐老化、耐腐蝕性能和電絕緣、耐電暈性能，在變壓器絕緣墊、絕緣護(hù)套和特種電纜等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[5-6]。然而，乙丙橡膠的彈性模量和強(qiáng)度較小，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往需要使用無(wú)機(jī)填料對(duì)乙丙橡膠進(jìn)行摻雜補(bǔ)強(qiáng)[7-8]，同時(shí)通過(guò)誘發(fā)硫化反應(yīng)促進(jìn)乙丙橡膠分子之間交聯(lián)從而形成穩(wěn)定的三維硫化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提高乙丙橡膠的力學(xué)性能[9-10]。

氧化鋅是乙丙橡膠中常用的一種添加劑，一方面它作為無(wú)機(jī)填料，可對(duì)乙丙橡膠的力學(xué)性能進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；另一方面它作為一種交聯(lián)促進(jìn)劑，可促進(jìn)乙丙橡膠硫化過(guò)程中的交聯(lián)反應(yīng)[3,11]。近年來(lái)，隨著納米氧化鋅合成和改性技術(shù)的成熟，采用納米氧化鋅作為改性劑逐漸成為乙丙橡膠改性研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。然而，這些研究主要關(guān)注納米氧化鋅在乙丙橡膠中的分散性以及納米氧化鋅對(duì)乙丙橡膠力學(xué)性能的調(diào)控[12-13]。關(guān)于不同種類納米氧化鋅對(duì)乙丙橡膠電學(xué)性能，特別是對(duì)電學(xué)和力學(xué)性能協(xié)同調(diào)控的研究還非常少[14]。

本文從風(fēng)電扭轉(zhuǎn)電纜對(duì)乙丙橡膠絕緣材料的性能需求出發(fā)，研究4 種不同幾何特征（短柱狀、長(zhǎng)柱狀以及兩種不同直徑球狀）的納米氧化鋅顆粒對(duì)風(fēng)電扭轉(zhuǎn)電纜用乙丙橡膠絕緣材料力學(xué)性能和電氣性能的改性作用，明確不同種類氧化鋅對(duì)乙丙橡膠綜合性能的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

本文所用的乙丙橡膠配方體系包括乙丙橡膠基料（陶氏3722）、高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O，美國(guó)愛(ài)狄希高嶺土）、紅丹（Pb3O4，陜西締都醫(yī)藥）、石蠟（中國(guó)石化60#）、低密度聚乙烯（LDPE，中國(guó)石化7042）、過(guò)氧化二異丙苯（DCP 阿克蘇）、抗氧劑（巴斯夫1010）以及4種不同幾何特征納米氧化鋅（濟(jì)源魯泰），其中短柱狀納米氧化鋅編號(hào)命名為1#氧化鋅，長(zhǎng)柱狀納米氧化鋅編號(hào)命名為2#氧化鋅，球狀納米氧化鋅編號(hào)命名為3#氧化鋅，球狀且直徑大于3#直徑的納米氧化鋅編號(hào)命名為4#氧化鋅，各原料成分比例如表1所示。其中，高嶺土作為補(bǔ)強(qiáng)劑，填充份數(shù)較大；紅丹作為染色劑的同時(shí)有防水作用；石蠟作為軟化劑加入，以保證填料混合均勻；LDPE 主要與乙丙橡膠體系的結(jié)晶度密切相關(guān)；DCP 和納米氧化鋅是乙丙橡膠交聯(lián)體系的重要組成，DCP 作為交聯(lián)劑參與整個(gè)交聯(lián)過(guò)程，納米氧化鋅作為交聯(lián)助劑參與其中。

表1 乙丙橡膠配方Tab.1 Ethylene-propylene rubber formula

利用哈爾濱哈普電氣技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的RM200C 型轉(zhuǎn)矩流變儀將乙丙橡膠基料與不同添加劑進(jìn)行混合，在此過(guò)程中，改變氧化鋅的種類，質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)一保持為5%，其他成分比例保持不變，進(jìn)行4種乙丙橡膠樣品的制備，具體操作如下：先按照一定比例將乙丙橡膠基料、高嶺土、紅丹、石蠟、LDPE、DCP、不同幾何特征納米氧化鋅、抗氧劑稱量裝袋；然后在轉(zhuǎn)矩流變儀中加入一定量的乙丙橡膠基料，溫度設(shè)置為110℃，轉(zhuǎn)速設(shè)置為10 r/min，以清洗儀器，保證沒(méi)有雜質(zhì)混入；隨后將稱量好的乙丙橡膠基料放入儀器中，待乙丙橡膠受熱充分后，將LDPE、高嶺土、石蠟、抗氧劑依次放入，并提高轉(zhuǎn)速至30 r/min，充分混合15 min；最后將轉(zhuǎn)矩流變儀降溫至90℃后加入DCP、不同幾何特征納米氧化鋅，混合10 min 后取出，得到4 種不同種類納米氧化鋅摻雜的乙丙橡膠塊狀樣品。

利用東莞儀通檢測(cè)設(shè)備科技有限公司生產(chǎn)的YT-ML15 型平板硫化機(jī)將4 種乙丙橡膠塊狀樣品壓制成片，以實(shí)現(xiàn)乙丙橡膠樣片的制備，具體操作如下：將混合后的乙丙橡膠塊狀樣品按照模具體積稱量，置于模具中，通過(guò)鋼板和聚酯薄膜將試樣固定。整個(gè)操作過(guò)程中使用兩臺(tái)平板硫化儀，其中一臺(tái)平板硫化機(jī)溫度設(shè)置為120℃，另一臺(tái)設(shè)置為180℃。先將固定的樣品連著模具、鋼板一起，放置于120℃的平板硫化機(jī)中，預(yù)熱5 min 后，逐步加壓，將軟化的塊狀樣品壓平，壓力為20 MPa，繼續(xù)加熱5 min。隨后轉(zhuǎn)移至180℃平板硫化機(jī)中，壓力為20 MPa，交聯(lián)5 min，循環(huán)放氣5 次，以保證沒(méi)有氣孔產(chǎn)生，再繼續(xù)加壓5 min。交聯(lián)過(guò)程結(jié)束后，將樣品取出，在空氣中迅速冷卻至室溫。根據(jù)模具尺寸得到尺寸為100 mm×100 mm、厚度為0.5 mm 的方形試樣，以進(jìn)行后續(xù)性能測(cè)試。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)表征

使用Carl Zeiss 公司Gemini SEM 500 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察乙丙橡膠試樣的微觀形貌，觀察前需要將片狀樣品裁成細(xì)條狀，在液氮中低溫脆斷，然后對(duì)斷面進(jìn)行噴金處理。利用X 射線能譜儀（EDS）對(duì)脆斷面的元素分布進(jìn)行測(cè)試。使用陜西朗潤(rùn)國(guó)際貿(mào)易有限公司ASAP 2020 Plus HD88 型全自動(dòng)物理吸附儀（BET）對(duì)比表面積進(jìn)行測(cè)試。利用差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試樣品的熱流曲線并計(jì)算結(jié)晶度。利用平衡溶脹法測(cè)試乙丙橡膠的交聯(lián)密度，將乙丙橡膠置于環(huán)己烷中168 h，當(dāng)溶劑擠出的彈性收縮力和溶劑滲入橡膠的壓力持平時(shí)，橡膠的溶脹體積達(dá)到極限值，實(shí)現(xiàn)溶脹平衡。在橡膠彈性統(tǒng)計(jì)論基礎(chǔ)上根據(jù)Flory-Huggins 理論可以得到交聯(lián)密度的計(jì)算公式，即Flory-Rehner 公式，如式（1）所示，以此求得樣品的交聯(lián)密度，每組樣品測(cè)試5個(gè)試樣，結(jié)果取平均值，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

式（1）中：ve為磁化橡膠的交聯(lián)密度；v2為橡膠相在溶脹后硫化膠中的體積分?jǐn)?shù)；v是溶劑的摩爾體積；x為橡膠與溶劑的相互作用系數(shù)；f為橡膠網(wǎng)絡(luò)的官能度。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 1040.3—2006 開(kāi)展力學(xué)性能測(cè)試。利用模具將乙丙橡膠樣片切割成如圖1所示的啞鈴形狀，使用CMT4503-5kN 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)常溫下的乙丙橡膠樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為25℃，拉伸速率為100 mm/min，傳感器選取為大變形傳感器，每組試樣至少選取5個(gè)有效數(shù)據(jù)，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。

圖1 啞鈴狀樣品示意圖Fig.1 Dumbbell sample diagram

1.4 交流電氣強(qiáng)度測(cè)試

利用實(shí)驗(yàn)室常用的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)乙丙橡膠樣片的擊穿性能進(jìn)行測(cè)試，電極模塊采用柱-柱不銹鋼電極，電極的直徑均為25 mm。在測(cè)試過(guò)程中，將整個(gè)電極模塊置于盛有植物油的恒溫油浴箱中，以保證恒溫的同時(shí)，避免在高電壓下出現(xiàn)沿面放電。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)乙丙橡膠樣片進(jìn)行預(yù)處理，用無(wú)水酒精擦拭表面，除去灰塵，并在50℃下保溫24 h，以消除其機(jī)械應(yīng)力。在測(cè)試過(guò)程中，采用勻速連續(xù)升壓的方式進(jìn)行加壓，速率保持為1 kV/s，待電壓源發(fā)出警報(bào)聲后停止升壓并記錄擊穿電壓值，每組樣品進(jìn)行12次測(cè)試，以保證數(shù)據(jù)的有效性。擊穿結(jié)束后，擦拭樣片表面，對(duì)擊穿點(diǎn)的厚度進(jìn)行測(cè)試并記錄，通過(guò)雙參數(shù)威布爾分布（Weibull）對(duì)交流擊穿實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，并通過(guò)威布爾分布公式計(jì)算試樣的電氣強(qiáng)度，如式（2）所示。

式（2）中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度（kV/mm）；P(E)表示電場(chǎng)強(qiáng)度為E時(shí)的累計(jì)擊穿概率；α 為尺度參數(shù)，表示失效概率為63.2%時(shí)的電氣強(qiáng)度；β為形狀參數(shù)，表示電氣強(qiáng)度的分散性。

1.5 介電性能測(cè)試

利用Concept 80 型寬帶介電譜測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)乙丙橡膠材料的介電性能隨溫度的變化曲線進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試前，需要將乙丙橡膠試樣用無(wú)水酒精進(jìn)行擦拭，待晾干后，對(duì)試樣的兩面進(jìn)行噴金處理，并裁剪成直徑為22 mm 的圓形薄片。測(cè)試過(guò)程中的溫度范圍為-60～80℃，升溫速率為1.5℃/min，測(cè)試頻率為50 Hz。

1.6 直流電阻率測(cè)試

利用三電極系統(tǒng)對(duì)乙丙橡膠樣品的電阻率進(jìn)行測(cè)試。直流高壓電源選用Spellman 公司的SL40PN300/220 型高壓直流電源，最高輸出電壓為40 kV，波紋系數(shù)為0.1%。電流表選用Keithley公司的6517B 型靜電計(jì)，測(cè)試量程為10 aA～21 mA。三電極測(cè)試模塊選用的高壓極直徑為45 mm，測(cè)量極直徑為26 mm，保護(hù)極與測(cè)量極之間的間隙為3 mm，在電極外還有屏蔽裝置以屏蔽電磁干擾。溫度控制裝置采用恒溫溫箱來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的變化與控制。

1.7 導(dǎo)熱性能測(cè)試

利用Mettler Toledo 公司LFA447 型導(dǎo)熱測(cè)量?jī)x對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)所有樣片表面噴覆石墨涂層[15]，測(cè)試過(guò)程中取30、60、90℃三個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米氧化鋅粒子微觀特性分析

利用掃描電子顯微鏡對(duì)4種氧化鋅顆粒的形貌進(jìn)行觀察，其微觀形貌如圖2 所示。從圖2 可以看出，1#ZnO 是尺寸在亞微米級(jí)別的短柱狀顆粒，對(duì)表面形貌圖中的顆粒尺寸進(jìn)行分析計(jì)算，得到其平均長(zhǎng)度和寬度分別為400 nm 和50 nm；2#ZnO 是微米級(jí)別的長(zhǎng)柱狀顆粒，其平均長(zhǎng)度和寬度分別為700 nm 和47 nm，即2#長(zhǎng)柱狀氧化鋅顆粒相較于1#短柱狀氧化鋅而言，寬度與1#相差不大，而長(zhǎng)度比1#更長(zhǎng)；3#納米氧化鋅是球狀顆粒，測(cè)試得到的直徑約為15 nm；4#納米氧化鋅也是球狀顆粒，直徑比3#的大，尺寸約為30 nm，即4#ZnO 顆粒的大小約為3#ZnO的2倍。

進(jìn)一步，利用物理吸附儀對(duì)4 種氧化鋅粉末樣品的比表面積進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2 所示。在測(cè)試之前，所有粉末樣品均經(jīng)歷干燥過(guò)篩處理，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。從表2可以看出，1#與2#納米氧化鋅的比表面積相差不大，其中1#的比表面積略大，而3#納米氧化鋅的比表面積則遠(yuǎn)大于其他3 種納米氧化鋅，4#納米氧化鋅的比表面積處于中間水平。比表面積與納米氧化鋅的反應(yīng)活性直接相關(guān)，因此4 種納米氧化鋅的反應(yīng)活性從大到小依次為3#、4#、1#、2#。后續(xù)將4種納米氧化鋅調(diào)控的乙丙橡膠樣品分別定義為1#樣品、2#樣品、3#樣品和4#樣品。

2.2 氧化鋅摻雜乙丙橡膠的性能分析

2.2.1 微觀形貌

利用掃描電子顯微鏡對(duì)4種納米氧化鋅調(diào)控的乙丙橡膠樣片脆斷表面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3 可以看出，4 種乙丙橡膠均有高嶺土填料分布，但是含量較多的高嶺土顆粒粒徑也是類似的尺寸水平，與氧化鋅顆粒難以區(qū)分，因此無(wú)法直接通過(guò)表面形貌對(duì)觀察位置的填料種類進(jìn)行區(qū)分。

圖3 4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的微觀形貌圖Fig.3 Micro morphology of four kinds of nano-zinc oxide doped ethylene propylene rubber

利用X 射線能譜儀對(duì)乙丙橡膠斷面的元素分布進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)4種樣品表現(xiàn)出類似的規(guī)律，其中1#樣品的結(jié)果如圖4 所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，斷面上的Zn元素均保持良好的分散性，說(shuō)明樣品中納米氧化鋅都均勻分散于乙丙橡膠基料中，納米氧化鋅的分散性不會(huì)引起后續(xù)測(cè)試的性能差異。4 種樣品所表現(xiàn)的性能差異主要由4種納米氧化鋅比表面積的差異引起。

圖4 1#樣品乙丙橡膠中鋅元素的分布情況Fig.4 Distribution of zinc in ethylene propylene rubber sample 1#

利用平衡溶脹法對(duì)4種樣品的交聯(lián)密度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，1#樣品與2#樣品的交聯(lián)密度差別不大，均處于4 組乙丙橡膠中的較低水平，而3#樣品的交聯(lián)密度明顯大于其他3 組樣品，4#樣品則略小于3#樣品，這一規(guī)律與納米氧化性的比表面積高度相關(guān)。高比表面積納米氧化鋅的加入，提供了更多促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)的活性位點(diǎn)，從而能夠顯著加速乙丙橡膠中的硫化過(guò)程，提高乙丙橡膠的交聯(lián)密度。

表3 4種納米氧化鋅調(diào)控的乙丙橡膠交聯(lián)密度Tab.3 Crosslinking density of ethylene propylene rubber regulated by four kinds of nanometer zinc oxide

通過(guò)差示掃描量熱儀對(duì)乙丙橡膠進(jìn)行測(cè)試，在分析過(guò)程中選取測(cè)試曲線的二次升溫段，如圖5(a)所示。圖中-45℃附近的臺(tái)階對(duì)應(yīng)于乙丙橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程，40℃的吸熱峰對(duì)應(yīng)于乙丙橡膠體系中石蠟的熔融過(guò)程，而95℃附近的吸熱峰對(duì)應(yīng)于乙丙橡膠中聚乙烯鏈段的熔融過(guò)程[16-17]。由圖5(a)可知，不同種類納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的DSC 曲線變化趨勢(shì)保持一致，表明納米氧化鋅的形貌對(duì)乙丙橡膠的基本性質(zhì)無(wú)顯著影響。

圖5 4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的DSC曲線及結(jié)晶度Fig.5 DSC curves and crystallinity of four kinds of nano-zinc oxide doped ethylene propylene rubber

對(duì)95℃附近乙丙橡膠熔融峰的面積進(jìn)行積分計(jì)算，求得乙丙橡膠的結(jié)晶度，計(jì)算公式如式（3）～（4）所示，計(jì)算結(jié)果如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，不同樣品中聚乙烯鏈段的結(jié)晶度都處于較低水平，整體保持在0.40%附近，變化范圍在±0.02%。也就是說(shuō)，納米氧化鋅種類不會(huì)影響乙丙橡膠的結(jié)晶過(guò)程。

式（3）～（4）中：ΔH為焓變，J·g-1；dQ/dt為 熱 流，W·g-1；T為溫度，℃；Xc為結(jié)晶度，%；ΔHc試樣完全結(jié)晶時(shí)的焓變，取290 J·g-1；m為對(duì)應(yīng)有機(jī)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2.2 斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度

4 種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，1#、3#樣品的斷裂伸長(zhǎng)率最低，分別為440.33%和423.77%，而2#樣品的斷裂伸長(zhǎng)率最大，為532.04%，4#樣品的斷裂伸長(zhǎng)率則處于中間水平，為477.23%。在拉伸強(qiáng)度方面也表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即1#與3#樣品的拉伸強(qiáng)度相差不大，分別為8.31 MPa、8.74 MPa，均處于較低水平，2#樣品的拉伸強(qiáng)度最大，為11.88 MPa，4#樣品的拉伸強(qiáng)度則處于中間水平，為9.22 MPa。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明比表面積大的球狀納米氧化鋅顆粒（3#、4#）的加入，不利于乙丙橡膠拉伸性能的提高，這是由于球狀納米氧化鋅顆粒的比表面積越大，乙丙橡膠的交聯(lián)密度越高，硫化膠中的交聯(lián)點(diǎn)較多，在拉伸過(guò)程中自由滑移的分子鏈減少[18]，硫化膠隨應(yīng)力產(chǎn)生形變的能力減弱，膠體依靠形變緩解應(yīng)力的能力變?nèi)?，?dāng)拉伸應(yīng)力超過(guò)膠體形變所能承受的范圍時(shí)，就會(huì)發(fā)生交聯(lián)鍵斷裂和分子鏈斷裂，在膠體中形成空隙，對(duì)膠體產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度減小。

2.2.3 電氣強(qiáng)度

在室溫和高溫（90℃）下利用交流擊穿平臺(tái)對(duì)4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的電氣強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，并利用Weibull分布對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看出，常溫下電氣強(qiáng)度最大的是4#樣品，為58.08 kV/mm，而電氣強(qiáng)度最小的是3#樣品，為54.63 kV/mm。高溫下電氣強(qiáng)度最大的是3#樣品，為67.6 kV/mm，而電氣強(qiáng)度最小的是2#樣品，為63.7 kV/mm。整體而言，4 組乙丙橡膠的電氣強(qiáng)度差距并不明顯，常溫下波動(dòng)在（56±2）kV/mm 范圍內(nèi)，高溫下波動(dòng)在（65.5±2）kV/mm 范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加工過(guò)程中乙丙橡膠中的第三單體交聯(lián)越充分，則殘留的雙鍵越少，材料的耐電強(qiáng)度越高[19]，因此比表面積較大的3#樣品在高溫下表現(xiàn)出較高的電氣強(qiáng)度。

圖7 4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的交流擊穿性能Fig.7 AC breakdown properties of four kinds of nano-zinc oxide doped ethylene propylene rubber

2.2.4 介電性能

利用寬帶介電譜對(duì)4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的介電溫譜進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖8 所示。由圖8可知，4 種樣品的相對(duì)介電常數(shù)均隨溫度上升而下降，且在-60℃到80℃區(qū)間內(nèi)，納米氧化鋅的比表面積越大，樣品的相對(duì)介電常數(shù)越高，可能的原因是比表面積的增加會(huì)引入更多的納米氧化鋅-乙丙橡膠界面，從而貢獻(xiàn)了更多的界面極化。4 種樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度升高呈上升趨勢(shì)，與納米氧化鋅比表面積沒(méi)有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，且數(shù)值都較小，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)tanδ均小于0.013。

圖8 4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的介電性能Fig.8 Dielectric properties of four kinds of nano-zinc oxide doped ethylene propylene rubber

2.2.5 電阻率

圖9 為4 種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠在常溫下的電阻率測(cè)試結(jié)果。由圖9可知，4種樣品的常溫電阻率都在（1.40±0.15）×1015Ω·m范圍內(nèi)，說(shuō)明納米氧化鋅形貌對(duì)乙丙橡膠的電阻率影響不大，這是因?yàn)榧{米氧化鋅填充量較少，納米氧化鋅粒子都被橡膠大分子包裹隔絕，不會(huì)形成導(dǎo)電通道，橡膠材料的電阻率主要由橡膠基體和高填充比例的填料決定。

圖9 4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的電阻率Fig.9 Resistivity of four kinds of nano-zinc oxide doped ethylene propylene rubber

2.2.6 導(dǎo)熱性能

導(dǎo)熱系數(shù)表征的是材料導(dǎo)熱、散熱的能力，良好的導(dǎo)熱性能能夠保障電纜運(yùn)行過(guò)程中的溫度處于正常水平。對(duì)4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的導(dǎo)熱性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試選取30、60、90℃三個(gè)溫度，測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，1#和4#樣品在3 個(gè)測(cè)試溫度下，均具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，其值為0.30 W/(m·K)左右，2#和3#樣品的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在0.15 W/(m·K)左右。樣品的導(dǎo)熱系數(shù)與納米氧化鋅的比表面積、乙丙橡膠的交聯(lián)密度之間均不存在顯性相關(guān)關(guān)系。

圖10 4種納米氧化鋅摻雜乙丙橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.10 Thermal conductivity of four kinds of nano-zinc oxide doped ethylene propylene rubber

對(duì)于有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料而言，無(wú)機(jī)填料的形貌、用量和分布均會(huì)對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生顯著影響。同種類的傳熱填料粒子一般具有球形、片狀、纖維狀等多種結(jié)構(gòu)，其中晶須對(duì)提高橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)最有效，球形最差。通常情況下，填料在有機(jī)或者無(wú)機(jī)基體中的分布狀態(tài)具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。即使往基體中加入相同填充量的填料，由于制作工藝的不同，熱導(dǎo)率的測(cè)試值也會(huì)存在一定區(qū)別。

3 結(jié) 論

（1）納米氧化鋅的比表面積對(duì)乙丙橡膠的交聯(lián)密度有顯著影響，比表面積越大，交聯(lián)密度越大，但結(jié)晶度基本保持不變。

（2）大比表面積的納米氧化鋅會(huì)導(dǎo)致乙丙橡膠過(guò)度交聯(lián)，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能劣化。

（3）乙丙橡膠的相對(duì)介電常數(shù)和高溫下的電氣強(qiáng)度與摻雜納米氧化鋅比表面積大小呈正相關(guān)。

（4）乙丙橡膠的介質(zhì)損耗、電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)與氧化鋅種類無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。