硅橡胶复合物非线性电导特性研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．21(2014)217803纳米碳化硅／硅橡胶复合物非线性电导特性研究冰王飞风张沛红十高铭泽(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，电介质工程国家重点实验室培育基地，哈尔滨150080)(2014年3月28日收到；2014年6月26日收到修改稿)将纳米碳化硅填加到硅橡胶中，可以获得具有非线性电导特性的纳米碳化硅／硅橡胶复合物．本文研究了质量分数分别为5wt％，15wt％，30wt％，45wt％的纳米碳化硅／硅橡胶复合物的非线性电导特性，建立了电导率与场强的函数关系，分析了复合物的非线性电导机理，并测试了复合物的介电

2、谱特性和击穿特性．为了探讨非线性碳化硅／硅橡胶复合物应用于电缆终端和复合绝缘子以均匀其电场分布的可能性，应用C0MS0LMultiphysics软件，对电缆终端和复合绝缘子中的电场分布进行了仿真分析．仿真结果表明，将纳米碳化硅／硅橡胶复合物应用于电缆终端应力锥的绝缘部分，以及应用于复合绝缘子的端部，可以有效地降低其最大场强．关键词：纳米碳化硅／硅橡胶复合物，非线性电导特性，电场仿真PACS：78．67．Sc，72．20．Ht，87．55．GhDOI：10．7498／aps．63．217803线性变化，在场强达到一定值时，电导率表现出很1引言强的场强依赖关系，这一特

3、性可以改善高压电气设备绝缘中的电场分布[S-ii】．纳米科学技术的发展为新材料的开发和对复合材料的微观结构决定了载流子的输运过现有材料的改性提供了新的思路和途径，1994程．非线性复合介质中由于添加了非线性无机半年Lewis首先提出了纳米介质fnanometricdie—导电材料，载流子的传输过程更为复杂，涉及到多lectrics1的概念2001年Frechette等对此作了进种导电机理．文献f81研究了纳米p-SiC／F~橡胶复一步的讨论(称为nanodielectrics)[2]_纳米介质的合物的非线性导电机理，以体积分数为25％，粒径出现，开辟了电介质新的应

4、用领域，与传统介质比为50am的碳化硅／硅橡胶复合物为例，通过测试较，纳米复合介质的电、热、机械性能有了很大的复合材料的电导电流()与场强(E)的关系、介电改善[3—71．谱特性以及空间电荷特性，认为，1)从场助热电从20世纪90年代开始，国内外学者对纳米填子发射电极注入方面分析，由于纳米碳化硅／硅橡充物改善聚合物性能的问题作了广泛研究，目前胶复合物的—E特性具有很强的温度依赖性，因已经在聚合物如聚乙烯、硅有机树脂、环氧树脂、聚酰胺和聚酰亚胺，填充物如三氧化二铝(alumina，此排除了隧道注入和肖特基fSchottky)注入机理．A1203)、二氧化钛(tita

5、nia，TiO2)、二氧化硅(silica，21从隧道效应方面分析，当复合物中碳化硅颗粒SiO2)和层状硅酸盐(1ayeredsilicates)等的研究方间的硅橡胶层足够薄，局部场强很大时，载流子会面取得了很多结果，在聚合物中填加非线性纳米无由于隧道效应通过薄的橡胶层．但是经过计算得机物，如纳米氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)等制成非出纳米碳化硅／硅橡胶复合物中的局部场强和碳化线性复合材料的研究也取得了一定的进展．非线性硅粒子之间硅橡胶层厚度不满足发生隧道效应的复合材料的电导率随着外加场强的改变呈现出非条件，从而排除隧道效应机理．3)从普尔一弗兰凯国家自然科学

6、基金(批准号：51277044)和国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号：2012CB723308)资助的课题十通讯作者．E—mail：zph@hrbust．edu．ca@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietytp：／／wul@~b．hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．21(2014)217803尔(PooleFrenkel1效应方面分析，根据莫特一格尼源最大输出电压10kV，施加电压30min后利用(Mott—Gurney)模型，空间电荷限制电流的非线性EST122皮安电流表记录稳态电流．系数大

7、约为2，比测得的纳米碳化硅／硅橡胶复合纳米碳化硅／硅橡胶复合物电导率与场强关系物的非线性电导系数小得多，因此排除了普尔一弗的经验公式为兰凯尔机理．4)载流子跃迁通过硅橡胶层可由变=QE，(1)程跃迁或最邻近跃迁方式完成，因为变程跃迁是在低温情况下发生，所以排除了变程跳跃机理．经过式中，卢是材料的非线性电导系数，是一个与材料对多种可能的导电机理的分析，最后得出通过薄硅属性和结构有关的参数，对(1)式取对数变换为橡胶层的最邻近空穴跃迁是纳米碳化硅／硅橡胶复lg7=lgOl+lgE．(2)合物的主要的非线性导电机理．文献f12]对非线性无机纳米碳化硅、氧化锌复合聚乙烯材

8、料的导电性