多核模型
日本早稻田大学的 Tanaka T等基于化学 、电学和形态学理论 , 提出了多核模型 , 用于解释纳米层状材料在提高聚合物耐电晕性能方面所起的作用 。他们通过比较聚酰胺和聚酰胺/层状硅酸盐纳米复合材料在相同局部放电条件下的耐电晕性能 , 发现复合材料表面的电晕腐蚀深度是纯聚合物的五分之一 ,肯定了耐电晕性能的提高与层状硅酸盐的高耐局部放电性有密切关系 。
聚酰胺/ 层状硅酸盐纳米复合材料表面耐局部放电的机理。该复合材料由许多聚酰胺包覆的纳米尺寸的球形粒子组成 , 球形粒子的结构从内到外可分为三层 ,即内层 ,中间层和外层 。由于离子键与共价键的存在 , 内层聚合物与纳米粒子之间有较强的作用 , 具有较强的耐电晕能力 。中间层聚合物处于高度有序状态 , 且或多或少地存在结晶现象 , 两相邻颗粒之间的距离约为 1 nm , 第二层被认为是最接近相邻粒子的区域 , 耐电晕性能次之 。第三层主要是无定形聚合物 , 耐电晕性能较差 。当局部放电作用于复合材料表面时 ,在电 、热 、机械以及环境等因素的共同作用下 ,表层的聚合物首先遭到破坏而分解 。之后 , 由于第三层及其外层的聚合物耐电晕性能较弱而被破坏 ,当局部放电遇到球形粒子的中间层或内层时 , 由于其较强的耐电晕性能 , 破坏通道将沿着中间层与聚合物的界面继续生长 。这样破坏通道在材料内部形成之字形路径 ,从而延长了耐电晕寿命 。此外 ,介电常数也起着重要作用 , 由于层状硅酸盐的介电常数约为聚酰胺的 2 倍 , 局部放电将集中于复合材料中的纳米填料部分 , 而在耐电晕性能较弱的无定形区域较弱 , 而硅酸盐的耐电晕性能远高于聚合物基体 , 因而复合材料具有较好的耐电晕性能 。
缺陷理论
屠德民等人对聚合物的放电与老化问题曾进行了长期的研究 。他认为聚合物中存在一定量深度
各异的陷阱 , 在电压的作用下电子从导体注入聚合物材料中时 , 由于电子在聚合物中的平均自由程很短 ,经过几次碰撞后很快就落入陷阱中 。电子与陷阱的复合引起了以下两个过程 : ①被捕陷的电子会在注入电极附近形成同极性的负电荷中心 , 它形成的附加电场会减弱电子继续注入率 。 ②由于捕陷( 或复合) , 从高能态到低能态之间的这一能量差将会以非辐射的方式转移 。对绝缘聚合物来说 ,这个能量可达 4 eV。该能量有两种消耗方式 , 一是直接破坏陷阱处的材料结构 ,二是转移给另外的电子 , 使它变成热电子 。第二个电子就具有了足够的能量去轰击分子使其化学键破裂 ,或者产生自由基 ,这又形成新的陷阱 。这个过程会以链反应的方式传递下去 ,直至老化击穿 。纳米粒子的加入改变了纯聚合物的上述老化过程 。首先 , 纳米粒子与聚合物的复合材料中的浅陷阱数量增多 。由于纳米粒子的表面存在大量缺陷 , 当纳米粒子在与聚合物复合时 , 纳米粒子表面与聚合物的界面中会产生大量的陷阱 , 这是造成浅陷阱数量增加的原因 。其次 ,从导体注入的电子在浅陷阱中被捕获 ,材料中稳定的强电子亲和力结构能够牢牢地俘获电子 , 以致电荷不会脱陷 , 从而形成稳定的空间电荷电场 , 由于空间电荷电场在材料表面形成一个与外加电场方向相反的空间电荷场 , 减弱了电子的注入能量和注入数量 。正是由于过渡金属对电子具有较强的亲和力 , 并且它们能够在聚酰亚胺有机基体中形成一定的分散体系 , 在外电场的作用下这些强电子亲和力的结构能够牢固地俘获负离子( 电子) 形成受陷电荷 ,而所有这些受陷电荷的协同作用即产生空间电荷电场 , 进而在材料表面形成一定的屏蔽电场 , 从而提高了聚酰亚胺薄膜的耐局部放电性能 。
协同效应
Yin W和何恩广等人认为 , 纳米粒子在提高耐电晕性能方面的作用不是单一的 , 而是电场均化 、电子及紫外光屏蔽 、热稳定等多种效应共同作用的结果 。T Okamoto 等曾研究了云母 、Fe 3O 4 填充的聚酰亚胺以及未填充聚酰亚胺的耐电晕寿命 , 对比了它们的放电量和体积电阻 。发现 Fe 3O 4/聚酰亚胺体系的局部放电量最小 ,而纯聚酰亚胺的局部放电量最大 , 因此 , T Okamo to 认为填料的加入造成聚酰亚胺电阻率的降低 , 使局部放电能量降低 , 从而延缓了材料的老化速度 。何恩广等研究了纳米 TiO 2 在提高耐电晕性能方面所起的作用 。他认为纳米 TiO 2 微粉填充改性绝缘的新型复合电磁线经过电晕放电破坏后 , 析出的纳米 TiO 2 微粉层改善了间隙中的电场分布特性 , 并通过电动力的作用自适应迁移使间隙的电场分布趋于均匀化 ;纳米 TiO 2 层在绝缘表面形成电子屏蔽障 , 可捕获来自放电的电荷 , 并通过高电导率的纳米 TiO 2 微粉层使积聚的电荷沿表面扩散 ; 此外纳米 TiO 2微粉层还能够吸收来自电晕放电且对绝缘有光化学降解作用的紫外线 ,将光能转化为热能后通过良好的导热性扩散掉 , 从而起到屏蔽紫外线的作用 。
