1、本科毕业论文（20 届）纳米 SiC/硅橡胶复合材料在电缆终端中的应用所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 纳米 SiC/硅橡胶复合材料在电缆终端中的应用摘要随着现代材料科学的不断进步，材料正逐步由低级形式向高级形式发展，即由结构型向功能化、智能化的方向发展。非线性绝缘介质是指电导率或( 和 )相对介电常数随电场变化而变化的绝缘介质，它具有在不均匀电场下自行均化电场分布的特点，因此在复杂绝缘结构中具有广泛的应用。本文主要研究纳米 SiC/硅橡胶复合材料对电缆终端结构的电场影响。本文以电缆终端应力锥和外绝缘中填充电导率为非线性绝缘介质的绝缘结构
2、作为主要研究对象，仿真分析了在 110kV 电压下的电场分布。论文采用电场模拟软件 COMSOL 的瞬态求解器分别对应力锥和外绝缘中填充非线性绝缘介质所构成的绝缘结构进行瞬态仿真分析，并对采用线性硅橡胶外绝缘和非线性硅橡胶外绝缘的电缆终端的电场分布进行比较。结果表明：非线性绝缘介质的引入降低了应力锥外表面合成场强以及应力锥端尾处的最大合成场强，通过比较看出当电缆终端中应力锥和外绝缘均采用非线性复合材料时改善电场的效果最好。关键词 复合材料；非线性电导；渗流特征；硅橡胶Nano SiC / silicone rubber composite cable 哈尔滨理工大学学士学位论文3termina
3、lAbstractWith the development of modern materials science progress, material is gradually by elementary form to advanced forms of development, from structure to function, intelligent direction. Nonlinear dielectrics are the conductivity or ( and ) the relative dielectric constant change with electri
4、c field insulating medium, it has in a non-uniform electric field to all of the electric field distribution characteristics, thus in complex insulating structure has wide application. This paper mainly studies the SiC/ nano silicon rubber composite material for cable terminal structure electric fiel
5、d effect. The cable terminal stress cone and the outer insulating filling conductivity for non-linear dielectric insulation structure as the main research object, the simulation analysis on the electric field distribution of110kV voltage.By means of the electric field simulation software COMSOL tran
6、sient solver respectively stress cone and the outer insulating filler composed of nonlinear dielectric insulation structure transient simulation analysis, and the linear silicone rubber insulation and external insulation of nonlinear silicone rubber cable terminal of the electric field distribution
7、are compared. The results showed that: non-linear dielectric into the lower outer surface of the stress cone synthesis field and stress cone end at the maximum electric field strength, through the comparison that when the cable terminal stress cone and the outer insulating using nonlinear composite
8、materials to improve the electric field effect best.Key words: composite material; nonlinear conductivity; percolation characteristics; silicone rubber哈尔滨理工大学学士学位论文4目录摘要 .3哈尔滨理工大学学士学位论文5Abstract.4第 1 章 绪论 .71.1 课题背景及研究意义 .71.2 国内外聚合物基非线性复合物的研究现状 .71.3 本文研究的主要内容 .9第 2 章 导致纳米 SiC/硅橡胶复合材料非线性电响应的机制分析与讨论
9、 .102.1 SiC 填料粉体和硅橡胶基体的导电特性 .102.2 复合材料的非线性行为 .122.3 复合材料空穴跃迁非线性假说 .142.3.1 空穴跃迁假说 .142.3.2 近邻跃迁机制 .152.4 替代机制 .152.4.1 电极注入 .152.4.2 穿过薄硅橡胶层的隧道效应 .162.4.3 穿过薄硅橡胶层的变程跃迁 .162.4.4 空间电荷或普尔-弗兰凯尔效应 .172.5 本章小结 .17第 3 章 非线性复合材料在电缆终端中的应用 .183.1 电缆终端的电场分布特点及研究现状 .183.2 电缆终端的电场仿真 .203.3 本章小结 .24结论 .26致谢 .27参
10、考文献 .28附录 .30第 1 章 绪论哈尔滨理工大学学士学位论文61.1 课题背景及研究意义由于高分子材料具有十分优良的电气绝缘性能，它一直被广泛应用于电气、电子绝缘领域。然而随着材料科学领域的不断发展，人们对功能高分子复合材料的需求越来越高，材料正逐步由结构型向智能型转变。通过将具有非线性电导特性的无机材料粒子添加到高分子材料中，可以制备出电导率能够随外加电场变化而变化的非线性复合材料。这类材料能够在不均匀电场下自行均化电场分布，大大地提高了绝缘结构的性能，所以被人们称为智能绝缘材料 1。聚合物基复合材料导电机理的研究，一直都很受国内外学者的关注，虽然在某些聚合物基复合材料导电机理研究方
11、面，已经有很大的进展，但仍需进一步完善。特别是对以无机半导体粉末为填料、以聚合物为基体的非线性复合材料的导电机理的研究更不够深入，还需进行大量的实验和理论研究工作。为此，实验研究聚合物/非线性无机填料复合材料的电导特性及其影响因素，对指导非线性复合材料的开发和应用具有重要的工程意义；同时，非线性复合材料导电机理的研究对完善和丰富电介质理论具有重要的理论意义。 1.2 国内外聚合物基非线性复合物的研究现状国内外学者对非线性复合材料的研究十分关注，他们在研究中发现在聚合物中加不同浓度的非线性无机填料粒子会对复合物整体的电导特性产生不同的影响。1998 年，刘泽等人对掺杂了纳米 BaTiO3 粉末的
12、 EPR 复合体系进行了介电性能的测试，结果发现：随着填料粒子体积浓度的增大，复合材料的相对介电常数呈非线性增加 2。而韩国的 Jin-Gul Hyun 等人在研制嵌入式电容器薄片（ECFs）时也发现了该现象，即随 BaTiO3 粒子掺入体积浓度的增大，ECFs 的电容呈非线性增加。BaTiO3 浓度的增加，不仅显著提高了复合材料的相对介电常数，而且对材料的热稳定性也起到了一定的改善作用 3。西安交通大学的李明等人利用电声脉冲法装置，对以 BaTiO3 作为填料的聚乙烯试样的空间电荷分布进行了测试，研究结果表明：当 BaTiO3浓度为 1wt%左右时，几乎可以完全清除试样中的空间电荷，从而提高
13、了聚乙烯的直流介电强度。2001 年， Tetsushi Okamoto 等人发现在聚丁二烯树脂中加入 SiC 和Fe3O4 两种填料时，伏安特性的非线性行为是由 SiC 决定的，而且出现非哈尔滨理工大学学士学位论文7线性的阈值场强随 Fe3O4 浓度的增大向高场方向移动 4。2003 年，党智敏等通过对 BaTiO3/PVDF 两相复合材料和(导电填料+BaTiO3)/PVDF 三相复合材料的研究发现：BaTiO3/PVDF 两相复合材料的相对介电常数随填料的浓度增加而增加，低频时其相对介电常数可达 80，介电损耗低于 0.3。与两相复合材料相比，三相复合材料的介电常数更高，金属粒子的加入除
14、了可以提高铁电体/聚合物复合材料的介电常数外，还可以明显降低其介质损耗，该材料有望作为高介电常数的新型电介质材料使用 56。2006 年，尹毅等人对掺杂不同浓度纳米 SiOx 的 SiOx/LDPE 复合材料的伏安特性进行了测量，并系统研究了其温度特性。通过对实验结果的分析得出：纯 LDPE 的电导以空间电荷限制电流为主，对于掺杂纳米 SiOx 的复合介质，其强场电导以离子跃迁电导为主；温度增加将导致载流子的跃迁距离增大 78。哈尔滨理工大学郭文敏老师对 10umSiC/硅橡胶非线性复合材料做了电导特性的测试，结果如图 1-1 所示： （a）J-E 特性曲线 哈尔滨理工大学学士学位论文8(b)
15、 -E 特性曲线图 1-1 10umSiC/硅橡胶非线性复合材料电导特性并得出这样的结论：SiC 粉体块状材料的电导主要受限于粉粒间的界面，因为粉料粒径越小，单位厚度中界面数量越多，电导率也越小；同时由于 SiC 自身电导率比粉粒间界面电导率大，电场主要施加在粉粒间的界面。颗粒越大，单位厚度界面数量少，每个界面承受的电场强度也越高，因此大粒径粉体块状材料电导率对电场强度的依赖程度也越高 9。1.3 本文研究的主要内容本课题采用 COMSOL 仿真软件分析了电缆终端的电场分布。主要研究内容如下：1. 借阅文献理论分析讨论了纳米碳化硅/硅橡胶复合材料的非线性电反应机制；2. 对电缆终端的电场分布进
16、行仿真分析，并将采用线性硅橡胶外绝缘与非线性硅橡胶外绝缘的电缆终端的电场分布进行比较，分析非线性绝缘介质的引入对电场的改善程度。哈尔滨理工大学学士学位论文9第 2 章 导致纳米 SiC/硅橡胶复合材料非线性电响应的机制分析与讨论通常高电压的均压是通过高介电常数复合材料和具有理想的非线性电阻特性的复合材料实现的。后者，高场非线性电阻特性的复合材料有助于避免交流和直流的电场集中，这种复合材料通常是由一种聚合物基体，特别是三元乙丙橡胶或者硅橡胶中添加炭黑、陶瓷半导体碳化硅、氧化锌，甚至像有机半导体聚苯胺组成的 11。在一般情况下，非线性电场分级复合材料的伏安特性可以用一个简单的经验幂律方程 I-V
17、来描述。但是，并没有严格地研究这种电响应经验背后的真正物理。人们普遍假定，在低于逾渗负荷时，两个相互竞争的机制，如隧道机制或穿过薄聚合物基体层跃迁机制都阐述了复合材料的伏安非线性。在高于逾渗负荷时当填料粒子通道形成时，复合材料的非线性特性可能是隧道或场助热电子发射类似行为的双肖特基势垒的结果。另一方面，机制如电极肖特基注入，普尔-法兰克发射以及空间电荷限制电流也可以解释复合材料的 I-V 非线性。在这些假定的机制中，在许多半导体电介质或复合材料中跃迁机制已经被广泛地讨论成为主导机制。在这种情况下，载流子跃迁通常在小范围的邻近孔发生，称为邻近跃迁，或者发生在较大范围的相邻能量级之间，称为变程跃迁
18、，这种跃迁在低温时更可能发生。在本文中，一套详细的电气特性和数据分析得出了在高场非线性行为纳米 p-SiC/硅橡胶复合材料的价带尾近邻假说。2.1 SiC 填料粉体和硅橡胶基体的导电特性非线性复合材料通常是由聚合物和填料组成的，文献11研究了由纳米碳化硅填料和硅橡胶组成的非线性复合材料，经电气测试 SiC 粉体的电流密度（J）和电场 E 的关系有温度依赖性，如图 2-1 所示，哈尔滨理工大学学士学位论文10图 2-1 纳米 SiC 粉体电流密度 J 和电场 E 在不同温度下的关系从图中可以看出，SiC 粉体的非线性指数 为 4，其载流子平均活化能 是 0.048-0.064eV，这基于以下公式：EexpJkT图 2-2 是硅橡胶基体的介电谱，在 0.1-10 Hz 范围内的数据变化是特别引起关注的，log (虚部) 的斜率大约是 1，然而介电常数 的实部几乎保 持不变。这是一个直流传导的典型特征。这表明硅橡胶是无序载流子跃迁传导机制，其跃迁发生在局部小范围内，从而会引入一些直流传导。
