摘要：

聚合物因其优异的电学,热学和力学性能,广泛应用于电气绝缘,变频电机,燃料电池,航空航天等领域.随着纳米技术的发展进步,聚合物基纳米复合材料的设计与研制已成为材料科学研究的热点.本文利用具有较大比表面积和电阻率相对较低的Al_2O_3杂化聚酰亚胺,研究复合薄膜耐电晕性能及机理. 采用原位聚合法制备不同组分单层,三层PI/Al_2O_3聚酰亚胺基纳米复合薄膜.利用X射线衍射,透射电镜,扫描电镜等方法研究薄膜结构.结果表明,Al_2O_3使聚酰亚胺衍射峰强度下降,取向程度降低;纳米Al_2O_3的粒径为10~20nm,与聚酰亚胺形成了低密度的界面层,界面层厚度为3~6nm;三层薄膜中间层,杂化层厚度约为10μm,少量Al_2O_3向中间层扩散. 采用电晕测试设备,表面电阻测试装置,电导电流测试系统,介电谱仪测试薄膜的耐电晕性能,表面电阻,老化击穿阈值电场,体积电阻率,并使用原子力显微镜和扫描电镜分析薄膜老化速率和表面形貌.结果表明,三层薄膜比单层薄膜具有更好的耐电晕性能,Al_2O_3含量为20wt.%的三层复合薄膜(PI/Al_2O_320wt.%)耐电晕寿命最长,约为纯PI的27.8倍;随着纳米Al_2O_3的增加,薄膜的表面电阻显著下降,匀化电场能力提高;电晕过程中,PI/Al_2O_320wt.%的表面老化速率明显小于纯PI;纳米Al_2O_3导致薄膜的电导电流明显增大,陷阱数量增加,PI/Al_2O_320wt.%的老化击穿阈值电场最高;Al_2O_3与聚酰亚胺通过界面有机结合在一起,形成电晕阻挡层;随着纳米Al_2O_3含量的增加,薄膜的体积电阻率单调下降,三层薄膜比单层薄膜具有更高的体积电阻率. 在实验结果基础上,提出三层薄膜耐电晕机理.杂化层中,Al_2O_3降低薄膜表面电阻,匀化表面电场,减小单位面积表面老化速率;引入较多陷阱能级,提高电导电流,使载流子在Al_2O_3和界面层中输运,减小载流子碰撞缺陷的几率,同时,减小热载流子产生的几率;Al_2O_3比表面积很大,紧密结合聚酰亚胺,形成化学性质非常稳定的电晕阻挡层.中间层相对提高薄膜体积电阻率,减少载流子数量,与杂化层形成载流子势垒,使电场应力集中在耐电晕的杂化层.

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