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具有双连续结构的BN/PP/SEBS复合材料导热与绝缘性能的研究

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中国电机工程学报 2024年第3期44卷 1214-1223,I0031页

作者：郭宁王铭锋张志丽孙建宇张锐高俊国工程电介质及其应用技术教育部重点实验室(哈尔滨理工大学) 黑龙江省哈尔滨市150080 国网大同供电公司山西省大同市037008 江苏中利集团股份有限公司江苏省常熟市215542

通过将聚丙烯(polypropylene,PP)与弹性体(styrene-ethylene-butylene-styrene,SEBS)材料共混并掺杂高导热填料可提高PP绝缘材料的使用性能。为了研究导热填料在聚合物基体中的分散规律,有效调控导热网络的形成,该文将不同含量SEBS与PP... 详细信息

通过将聚丙烯(polypropylene,PP)与弹性体(styrene-ethylene-butylene-styrene,SEBS)材料共混并掺杂高导热填料可提高PP绝缘材料的使用性能。为了研究导热填料在聚合物基体中的分散规律,有效调控导热网络的形成,该文将不同含量SEBS与PP共混作为基体,以氮化硼纳米片(boron nitride nanosheets,BNNSs)为导热填料,改变2种基体树脂的比例、BNNSs含量,通过熔融共混,制备出复合材料,分别探究SEBS与BNNSs含量对复合材料的微观结构、热导率、变温电导特性、本体击穿特性和力学性能的影响。结果显示:随着SEBS比例的增加,有机相逐渐由“海岛”结构转变为“双连续”结构,相同BNNSs含量下,调控有机相结构,可显著提升复合材料热导率。复合材料不仅具有良好的导热性能(0.4254 W/(m·K)),且保证了自身在高温下的绝缘性能以及机械性能,拓展了绝缘材料的实用性。

关键词：导热特性绝缘材料电导特性弹性体

PEDOT:PSS薄膜电导特性与机械性能的协调机制及其表皮电信号监测应用研究

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PEDOT:PSS薄膜电导特性与机械性能的协调机制及其表皮电信号监测...

作者：兰林楷重庆大学

学位级别：硕士

表皮电信号监测在疾病预防、诊断和治疗中发挥着关键作用,对健康监测和生物医疗具有重要意义。作为连接人体信号和外部空间的交互桥梁,表皮电极是电信号监测中必要的组成部分,其电学、力学性能直接影响监测信号的准确性和稳定性。因此,... 详细信息

表皮电信号监测在疾病预防、诊断和治疗中发挥着关键作用,对健康监测和生物医疗具有重要意义。作为连接人体信号和外部空间的交互桥梁,表皮电极是电信号监测中必要的组成部分,其电学、力学性能直接影响监测信号的准确性和稳定性。因此,如何实现表皮电极优异、稳定的导电性以及良好的拉伸性、低模量等力学性能,是表皮电信号监测的重要研究方向。金属薄膜、导电聚合物复合材料和本征导电聚合物是目前常用的表皮干电极,其中本征导电聚合物PEDOT:PSS因其优异的溶液加工性、可调的电学和力学特性和良好的生物兼容性,得到广泛的研究和应用。但PEDOT:PSS聚合物电极目前依旧存在一些不足,例如电导率不高、可拉伸性有限以及杨氏模量偏大等。因此,为了获得高质量的人体生理电信号,需进一步提高PEDOT:PSS聚合物电极的导电性、可拉伸性和顺应性,同时保证其良好的生物兼容性。针对以上问题,本课题从分子水平上对PEODT:PSS薄膜电导特性和机械性能的协调机制进行研究,通过构建并优化双网络单元分子结构实现了PEDOT:PSS薄膜电学和力学性能的协同提升。首先,通过引入物理交联网络(聚乙烯醇(PVA))和化学交联网络(聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)),结合分子间静电耦合效应,调节共混膜网络互穿行为和结晶,获得了46%断裂伸长率、16MPa低杨氏模量、442S/cm高导电率的聚合物电极。在此基础上,通过引入高极性的丙烯酸-2-羟乙基酯(2-HEA)单元,优化次级网络结构,协同提升PEDOT:PSS相分离程度和分子链段运动能力,获得了高达541S/cm电导率和58%断裂伸长率的PEDOT:PSS聚合物电极。最后,基于表皮电极-皮肤界面阻抗、心电和肌肉信号监测质量、压力传感灵敏度三个方面对PEDOT:PSS聚合物电极在人体表皮电信号监测应用的可行性进行了探究和评估。测试结果显示,PEDOT:PSS聚合物电极具有比商用Ag/Ag Cl凝胶电极更加优异的生理电势信号和响应。本课题通过对物理/化学双网络骨架单元结构的调控,实现了PEDOT:PSS导电高分子薄膜电导特性和机械性能的协同提升,为新型可穿戴人体健康监测领域提供了高电导、高柔韧表皮电极材料体系和理论指导。

关键词： PEDOT:PSS导电高分子电导特性机械性能聚合物电极表皮电信号

高压强下聚合物材料的电导特性与压激电流测试

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高压强下聚合物材料的电导特性与压激电流测试

作者：石家安哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着“双碳”目标的提出,新能源发电日益受到重视。目前海上风电及光伏发电潜能巨大,同时也对海底高压直流输电电缆提出了更严格的要求。聚合物作为电缆绝缘的主要材料,由于杂质或添加剂等原因,其内部会形成载流子陷阱导致空间电荷的累... 详细信息

随着“双碳”目标的提出,新能源发电日益受到重视。目前海上风电及光伏发电潜能巨大,同时也对海底高压直流输电电缆提出了更严格的要求。聚合物作为电缆绝缘的主要材料,由于杂质或添加剂等原因,其内部会形成载流子陷阱导致空间电荷的累积从而加速电缆绝缘层的电老化,使得电缆使用寿命缩短,为了更好的研究绝缘材料的电学性能,对聚合物材料的陷阱参数进行测量尤为重要。目前采用热刺激电流法（TSC）对聚合物材料陷阱特征进行测量是主流的测试方式,其通过控制温度变化得出热刺激电流谱从而对陷阱能级进行计算。参照TSC法,本文以压力作为控制变量,提出一种新型测量聚合物材料陷阱特征的方法—压力刺激电流法（PSC）,设计一套液压控制系统对聚合物施加10-600MPa的压强,并通过压机实验验证了液压系统的可靠性及准确性。本文设计一套可以进行高压强下电学性能测试用的样品室,并对实验测试原理及步骤进行了阐述。对尼龙6及线性低密度聚乙烯（LLDPE）进行电阻率测试,结果表明将样品室烘干后测得数量级更符合理论值,从而证明测试系统在进行电学性能测试具有准确性。通过对不同压强下电阻率测试结果进行分析,得出电阻率随压强增大而增大。聚合物的电导行为分为离子电导和电子电导,压强增大,离子电导行为减弱而电子电导行为增强,电阻率测试说明,在低场强下,尼龙6及LLDPE以离子电导为主。通过力学性能测试以研究玻璃化转变压强点的变化,应力应变实验需要更大的压强,因此设计一套小直径的力学性能测试用样品室,最大压强可达2.4GPa。对LLDPE和共聚聚丙烯（PPR）应力-应变曲线进行分析,得出玻璃化压强点随着温度的上升而增加,这是由于温度越高,分子链段越活跃需要更高的压强才能限制其运动。对比同等温度下两种材料玻璃化转变压强发现LLDPE的玻璃化转变压强更大,原因是LLDPE的链柔性要优于PPR。采用聚合物高压测试装置对尼龙6进行了压激电流的测试,通过不同极化方式的比较验证了实验装置的可靠性。采用构建的物理模型对尼龙6的分子活化体积和活化能进行了定量的计算,计算结果与理论值相符,验证了压激电流测试的准确性。对LLDPE和聚酰亚胺（PI）进行测试,通过压激电流谱计算得到LLDPE的分子活化体积为5.9×10m,分子活化焓为0.078e V,PI的压激电流谱表明其存在两种不同能级的陷阱,其中浅陷阱能级为0.038e V,深陷阱能级为0.094e V,通过对不同材料的陷阱能级计算结果,为后续的分析提供了数据支持。

关键词：聚合物绝缘材料电导特性压激电流分子活化焓

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真空电热循环老化下聚酰亚胺的电导特性研究

真空电热循环老化下聚酰亚胺的电导特性研究

作者：李桐华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

航天器在正常运行期间,受到空间中带电粒子的辐照作用,同时面临冷热循环的温度环境,其表面介质材料由于比较高的绝缘特性,入射到表面的电子很难释放,形成较高的自建电场,这些特殊的条件下,介质材料老化后引起本身电导率的变化,增大静电... 详细信息

航天器在正常运行期间,受到空间中带电粒子的辐照作用,同时面临冷热循环的温度环境,其表面介质材料由于比较高的绝缘特性,入射到表面的电子很难释放,形成较高的自建电场,这些特殊的条件下,介质材料老化后引起本身电导率的变化,增大静电放电发生的风险。因此,研究介质材料在真空-电-热循环老化后的电导特性具有重要的意义。本文基于航天器在地球低轨道的运行环境,结合电子辐照下聚酰亚胺形成的自建电场,参考相关鉴定实验标准以及空间组件的真空热实验,提出了老化实验方案,搭建了真空-电-热循环长期实验平台,对聚酰亚胺在两种温度变化速率5k/min和10k/min下进行了24次、48次、72次以及96次的真空-电-热循环。通过热刺激电流方法（TSC）以及电声脉冲法（PEA）对循环后试样内部陷阱以及空间电荷进行实验测试。5k/min下聚酰亚胺的陷阱能级呈现平缓增大趋势,循环次数增大后,深陷阱能级出现突增,10k/min下聚酰亚胺在循环初期浅陷阱以及深陷阱能级都快速增大,随着次数增多,深陷阱能级进一步增大;聚酰亚胺试样内部的空间电荷密度随着温度的升高不断增加,入陷位置逐渐向体内移动;10k/min对比5k/min,同等循环次数内部电荷数量沉积更多,电荷峰向内部移动明显,同极性电荷注入更多,空间电荷密度的增长速率更迅速。对聚酰亚胺试样,进行了不同温度下（-30℃、30℃、70℃）的电导特性测试。测试结果表明,由于空间电荷注入势垒下降,阈值场强总体随着温度升高逐渐下降,同一温度下,阈值场强随循环次数增加也逐渐下降;由于陷阱能级的加深,空间电荷限制区（SCLC区）J-U曲线斜率随循环次数增多明显变大;10k/min与5k/min对比来看,增大循环速率后,阈值场强下降的更明显,SCLC区斜率增加更快。

关键词：聚酰亚胺真空-电-热循环电导特性空间电荷

氮化硅与氧化铝陶瓷材料电导特性与沿面闪络特性关系的研究

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氮化硅与氧化铝陶瓷材料电导特性与沿面闪络特性关系的研究

作者：张震华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

目前,大多数电力设备和电子器件内部绝缘材料均采用聚乙烯(PE)、环氧复合材料等聚合物绝缘材料,随着长期运行聚合物绝缘材料性能的逐渐劣化,造成表面电荷显著增加。导致的电场畸变将加剧材料表面绝缘失效的风险。由于陶瓷材料具有良好... 详细信息

目前,大多数电力设备和电子器件内部绝缘材料均采用聚乙烯(PE)、环氧复合材料等聚合物绝缘材料,随着长期运行聚合物绝缘材料性能的逐渐劣化,造成表面电荷显著增加。导致的电场畸变将加剧材料表面绝缘失效的风险。由于陶瓷材料具有良好的绝缘性能、优异的温度稳定性,尤其是材料较强的耐老化特性,其很可能比环氧树脂等聚合物绝缘材料更加适用于特高压直流气体绝缘设备中的强电场、大温度梯度的长期运行工况,因此需要对现有陶瓷材料开展基础配方遴选以及改性优化研究并其电导特性规律对沿面闪络的影响具有非常关键的理论意义与工程价值。首先,本论文进行制备不同浓度掺杂功能离子的氮化硅与氧化铝陶瓷材料,对陶瓷材料的物相结构特性进行表征,观测其表面微观形貌,分析研究掺杂功能离子对陶瓷物相结构的影响,同时采用体积电导测试、热刺激去极化电流特性等获取材料体积及表面载流子浓度、电荷注入及电导势垒,陷阱能级及密度等微观介电参数,在此基础上分析离子掺杂对陶瓷电阻率温度稳定性的调节作用。发现所设计的Y2O3/Si3N4陶瓷材料配方体系具有2×1015Ω.m以上的高电阻率,在293 K至353 K时体积电阻率下降幅度小于50%。证明了该陶瓷材料优异的体积电阻率温度稳定性γ(T)特性能显著改善直流器件中温度梯度下的电场分布,提高绝缘强度,为高性能陶瓷绝缘材料配方调控奠定了理论基础。然后,本论文搭建表面电荷测量实验平台,该表面电荷测量平台具备线性响应特性,重点开展直流电压下不同浓度功能离子掺杂的氮化硅与氧化铝陶瓷材料表面电荷积聚特性的实验研究。分析不同浓度功能离子的掺杂对表面电荷积聚的影响。发现对于Y2O3/Si3N4配方体系,6%Y2O3掺杂浓度陶瓷时呈现较低的表面电荷密度,而BaTiO3/A12O3配方体系,3%BaTiO3陶瓷掺杂浓度呈现较低的表面电荷密度。最后,本论文搭建沿面闪络测量实验平台,采用平面指形电极,开展直流电压下不同浓度功能离子掺杂的氮化硅与氧化铝陶瓷材料对沿面闪络影响的实验研究。总结不同浓度功能离子掺杂对陶瓷材料沿面闪络的影响规律。研究发现,一方面功能离子掺杂浓度对陶瓷晶界量、晶界结构的影响引起的导通势垒的高低会影响闪络电压大小,另一方面,表面电荷的增加会使沿面电场畸变加剧,也给试样表面流注的形成提供更多的起始电荷,导致闪络电压降低。

关键词：氮化硅陶瓷氧化铝陶瓷电导特性表面电荷沿面闪络

石墨烯纳米网电导特性的能带机理：第一原理计算

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物理学报 2020年第4期69卷 193-201页

作者：徐贤达赵磊孙伟峰哈尔滨理工大学电气与电子工程学院工程电介质及其应用教育部重点实验室黑龙江省电介质工程重点实验室

通过第一原理电子结构计算来研究有序多孔纳米网的电导特性变化的能带机理.能带结构分析结果表明:石墨烯纳米网超晶格(3m,3n)(m和n为整数)的电子本征态在布里渊区中心点发生四重简并;碳空位孔洞规则排列形成的石墨烯纳米网具有由简并态... 详细信息

通过第一原理电子结构计算来研究有序多孔纳米网的电导特性变化的能带机理.能带结构分析结果表明:石墨烯纳米网超晶格(3m,3n)(m和n为整数)的电子本征态在布里渊区中心点发生四重简并;碳空位孔洞规则排列形成的石墨烯纳米网具有由简并态分裂形成的宽度可调带隙,无论石墨烯的两个子晶格是否对等.在具有磁性网孔阵列的石墨烯纳米网中,反铁磁耦合使对称子晶格的反演对称性增加了一项量子限制条件,导致能带结构在K点的二重简并态分裂成带隙.通过控制网孔密度能够有效调节石墨烯纳米网的带隙宽度,为实现新一代石墨烯纳米电子器件提供了理论依据.

关键词：石墨烯纳米网电子结构第一原理计算电导特性

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基于双带模型的螺旋炭纤维电导特性

材料研究学报 2011年第2期25卷 187-192页

作者：吴法宇张峻巍周艳文李维娟辽宁科技大学材料与冶金学院鞍山114051

采用电子结构的双带模型研究了螺旋炭纤维的电导特性。结果表明:经石墨化处理后,原始制备态的螺旋炭纤维的晶格趋于完美,其双带模型的电子能带结构由费米能级压低的p型转变为反应有序结构的n型;载流子浓度的提高和移动度的明显增大使石... 详细信息

采用电子结构的双带模型研究了螺旋炭纤维的电导特性。结果表明:经石墨化处理后,原始制备态的螺旋炭纤维的晶格趋于完美,其双带模型的电子能带结构由费米能级压低的p型转变为反应有序结构的n型;载流子浓度的提高和移动度的明显增大使石墨化后的螺旋炭纤维电导行为明显改善。

关键词：无机非金属材料螺旋炭纤维电导特性 π电子双带模型石墨化

纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料非线性电导特性

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高电压技术 2017年第11期43卷 3521-3527页

作者：陈庆国尚南强秦艳军魏新喆秦君哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室哈尔滨150080

为解决高压直流电缆附件中因复合绝缘材料电导率差异而引起的电场分布不均问题,采用纳米碳化硅为填料,对附件绝缘加成型液体硅橡胶进行改性,制备了具有非线性电导特性的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料。同时对比研究了纯硅橡胶和质量分... 详细信息

为解决高压直流电缆附件中因复合绝缘材料电导率差异而引起的电场分布不均问题,采用纳米碳化硅为填料,对附件绝缘加成型液体硅橡胶进行改性,制备了具有非线性电导特性的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料。同时对比研究了纯硅橡胶和质量分数分别为1%、3%、5%的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料的非线性电导特性和介电特性。研究结果表明:相比于纯硅橡胶,纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料的电导率从原来的10-15 S/m增加到10-14~10-13 S/m左右,非线性系数由0.3提高到1.03,相对介电常数增加了0.46,介质损耗因数基本不变。为了验证非线性纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料在直流电缆附件内均化电场的效果,采用Comsol-Multiphysics软件,对其电缆终端和中间接头内的电场分布进行了仿真分析。仿真结果表明:将非线性纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料应用于高压直流电缆附件应力锥处,其电场集中最大值下降了80%,实现了均化电场的目的。

关键词：碳化硅液体硅橡胶纳米复合材料非线性电导特性直流电缆附件电场仿真

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油纸绝缘电导特性实时测试系统及方法

高电压技术 2015年第1期41卷 231-236页

作者：徐征宇程涣超李金忠关健昕赵志刚李光范中国电力科学研究院北京100192

换流变压器阀侧绕组绝缘设计需考虑油纸绝缘电导特性的影响，而现有电导率测试方法均存在无法真实模拟直流电场应力的问题。为此，建立并提出了油纸绝缘电导特性实时测试系统及方法，试验研究了长度为8narn的油隙及厚度为6mm的油浸纸板... 详细信息

换流变压器阀侧绕组绝缘设计需考虑油纸绝缘电导特性的影响，而现有电导率测试方法均存在无法真实模拟直流电场应力的问题。为此，建立并提出了油纸绝缘电导特性实时测试系统及方法，试验研究了长度为8narn的油隙及厚度为6mm的油浸纸板的体积电导率在不同电场强度（简称场强）、不同温度下的电导特性。结果表明：建立的测试系统可直接测量油纸绝缘体积电导率，可用于进行均匀电场下电导特性的研究；被测8mm油隙体积电导率在场强S3kV／mm时呈现明显的温度效应，场强〉3kV／mm时呈现明显的场强效应；被测6mnl油浸纸板的体积电导率相对稳定，处于10^-16~10^-17S／m范围内。所得试验结果可用于优化换流变阀侧绕组的绝缘设计。

关键词：油纸绝缘直流电场油隙油浸纸板电导特性场强温度