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含有氮化硼势垒层的三明治结构聚合物基复合介质储能特性研究

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电工技术学报 2024年第1期39卷 121-134页

作者：冯宇程伟晔岳东张文超迟庆国工程电介质及其应用教育部重点实验室(哈尔滨理工大学) 哈尔滨150080

聚合物基高温储能介质因其较高的功率密度及优异的充放电效率被广泛应用在电气和电子等领域。该文选用不同粒径的氮化硼纳米片(BNNSs)作为填料,掺杂到聚醚酰亚胺(PEI)中构建势垒层,添加在纯PEI两侧制备拥有三明治结构的复合薄膜,探究粒... 详细信息

聚合物基高温储能介质因其较高的功率密度及优异的充放电效率被广泛应用在电气和电子等领域。该文选用不同粒径的氮化硼纳米片(BNNSs)作为填料,掺杂到聚醚酰亚胺(PEI)中构建势垒层,添加在纯PEI两侧制备拥有三明治结构的复合薄膜,探究粒径大小在不同温度/填充体积分数下对复合薄膜的介电性能及储能性能的影响。研究发现,构建BNNSs势垒层的三明治结构复合薄膜显著抑制了介质的高温电导,提高了充放电效率,且较小粒径BNNSs填充势垒层能更有效地提高击穿场强和储能密度,其中掺杂200 nm粒径BNNSs体积分数为5%的复合薄膜在常温下的储能密度可达5.65J/cm^(3),充放电效率高达96%,即使在150℃下,储能密度和充放电效率也可分别达到2.52 J/cm^(3)和95%。通过随机击穿模型阐明了粒径大小及三明治势垒层结构对击穿性能的提升机制。该文提出的含有势垒层的三明治复合结构为高温下复合薄膜储能特性优化提供了新的策略。

关键词：电介质薄膜聚醚酰亚胺氮化硼介电性能储能密度

极性分子的结构异同性对接枝改性交联聚乙烯材料直流电性能的影响

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电工技术学报 2024年第1期39卷 34-44页

作者：王凯赵新东郑海峰杨旭邵满志赵洪王暄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) 哈尔滨150080 哈尔滨哈普电气技术有限责任公司哈尔滨150040

为改善高压直流电缆运行过程中绝缘层材料的电导率对温度与电场强度敏感性所导致的电场反转问题,以及直流高压长时间作用下的空间电荷积聚现象,该文采用极性基团接枝改性的方式提升交联聚乙烯(XLPE)材料的直流电性能。由于接枝单体一般... 详细信息

为改善高压直流电缆运行过程中绝缘层材料的电导率对温度与电场强度敏感性所导致的电场反转问题,以及直流高压长时间作用下的空间电荷积聚现象,该文采用极性基团接枝改性的方式提升交联聚乙烯(XLPE)材料的直流电性能。由于接枝单体一般为沸点较低的极性小分子化合物,为避免材料在接枝过程中单体的气化损失,首先通过平行双螺杆挤出机配合低温高压计量泵装置实现熔融接枝反应。将丙烯酸酯类小分子化合物(丙烯酸甲酯(MA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA))分别预先接枝到低密度聚乙烯(LDPE)大分子链上制备接枝材料,通过红外光谱测试分析得出接枝单体皆成功接枝到LDPE大分子链上,熔融指数与凝胶含量测定表明材料的流变性能并未发生显著改变,X射线衍射测试与扫描电子显微镜观测发现接枝改性材料的结晶特性保持与基础树脂相似。进一步对三种接枝母料按一定比例稀释并完成交联过程,通过变温直流电导测试发现三种接枝改性材料的电导率-温度敏感性均出现不同程度的下降,综合高温空间电荷测试可以得出,接枝MA的XLPE材料电导率-温度敏感性下降幅度最大、空间电荷分布特性优异;结合第一性原理仿真计算可以进一步得到,三种接枝单体改性XLPE模型的陷阱能级较为一致,其直流电性能的改善效果与接枝单体的静电势分布存在显著关联。

关键词：交联聚乙烯接枝改性丙烯酸酯电导率-温度敏感性静电势分布

纳米SiO_(2)/聚丙烯复合材料的电老化寿命评估

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复合材料学报 2024年第3期41卷 1270-1280页

作者：高俊国张广威刘艳丽鞠惠丞刘力伟刘雄军韩啸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 江苏上上电缆集团科学技术研究院溧阳213300

探究新型环保材料聚丙烯(PP)绝缘和其纳米SiO_(2)复合材料的电老化寿命,为后期PP绝缘电缆应用可靠性提供理论支撑。基于电老化寿命公式-反幂定律,通过恒压加速老化试验估算了PP绝缘和SiO_(2)/PP复合材料的寿命模型参数,再采用逐级升压... 详细信息

探究新型环保材料聚丙烯(PP)绝缘和其纳米SiO_(2)复合材料的电老化寿命,为后期PP绝缘电缆应用可靠性提供理论支撑。基于电老化寿命公式-反幂定律,通过恒压加速老化试验估算了PP绝缘和SiO_(2)/PP复合材料的寿命模型参数,再采用逐级升压加速老化试验对寿命指数n的可靠性进行评估。并对SiO_(2)/PP复合材料进行结构表征和性能测试。结果表明,SiO_(2)/PP6的寿命指数n为14.61,相较PP6的12.54提升了16.51%;试验阶段发现在较低老化场强下SiO_(2)的掺杂对PP6的失效时间提升效果明显,预测SiO_(2)/PP6在老化场强25 kV·mm^(-1)以下的长期电老化寿命是PP6的5倍以上。同时,掺杂纳米SiO_(2)使PP绝缘的工频介电损耗因数和损耗峰高度降低。基于电老化空腔理论,提出了SiO_(2)通过消耗热电子能量限制链段断裂,从而提升PP绝缘电老化寿命的观点。

关键词：聚丙烯绝缘电老化寿命纳米SiO_(2) 加速电老化试验复合材料

复杂运行条件下非均匀老化油纸绝缘典型电场变化特性

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高电压技术 2024年第4期50卷 1731-1741页

作者：梁一霖张明泽刘骥雷胜杰贾海峰李璐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 国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院哈尔滨150030

油纸绝缘作为变压器的主要绝缘部分,长期运行后变压器主绝缘发生的非均匀老化现象,在复杂运行条件下(环境温度、受潮情况,电压类型)将导致工况运行时主绝缘内的电场分布发生变化,因此明确工况运行下非均匀老化油纸绝缘内特征位点(最大... 详细信息

油纸绝缘作为变压器的主要绝缘部分,长期运行后变压器主绝缘发生的非均匀老化现象,在复杂运行条件下(环境温度、受潮情况,电压类型)将导致工况运行时主绝缘内的电场分布发生变化,因此明确工况运行下非均匀老化油纸绝缘内特征位点(最大场强处)电场的变化特性至关重要。通过开展不同老化、受潮程度油纸绝缘材料的介电参数测试,明确了老化后油纸绝缘材料的工频介电常数、直流电导率随着运行条件的变化规律,通过构建基于GA-BP神经网络的老化油纸绝缘材料介电参数模型,实现了非均匀老化油纸绝缘介电参数的多元非线性定量表征;同时考虑油浸纸板老化对油纸间水分平衡规律存在的影响,修正了非均匀老化油纸绝缘内的油纸水分分布,并根据典型非均匀老化主绝缘结构,构建了非均匀老化油纸绝缘典型电场分布模型;最后,考虑到当前特高压电网中,区别于普通交流变压器绝缘所承担的交流电压,换流变压器阀侧绕组承担的电压中含有较高的直流分量,导致其面对的更高的绝缘水平要求。通过分别设定两种外施电压,并在复杂运行条件下,针对不同非均匀老化阶段的油纸绝缘模型的典型电场分布进行仿真计算,揭示了非均匀老化油纸绝缘电场变化特性,明确了实际运行中应加以注意的运行工况,为变压器的运维策略提供了重要的理论支撑。

关键词：油纸绝缘非均匀老化非线性介电性能电场变化特性交直流复合电场

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基于夹层结构各层协同优化的聚合物基复合介质储能性能

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高电压技术 2024年

作者：冯宇高强岳东朱博迟庆国陈庆国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理工大学电气与电子工程学院

近年来，聚合物基纳米复合介质因其具有可塑性强和功率密度大且稳定性好等优点而受到广泛关注。但由于其自身能量密度小且耐击穿能力有限，不能满足现代电气化时代高精密储能器件的要求。为了获得兼具高击穿强度和高储能密度的聚合物基... 详细信息

近年来，聚合物基纳米复合介质因其具有可塑性强和功率密度大且稳定性好等优点而受到广泛关注。但由于其自身能量密度小且耐击穿能力有限，不能满足现代电气化时代高精密储能器件的要求。为了获得兼具高击穿强度和高储能密度的聚合物基复合介质，本研究设计了一种新的夹层结构，将铁电聚合物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)(PVTC)与线性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混作为外部绝缘层，将具有高介电常数的核壳结构BT@AO@PDA纳米纤维添加到PVTC中作为中间极化层，构筑的正向夹层结构(绝缘层-极化层-绝缘层)实现了击穿强度和介电常数的协同提升。其中，PMMA质量分数为25 wt%的PMMA/PVTC复合介质和3 wt% BT@AO@PDA/PVTC复合介质构成的正向夹层结构在562.7 MV/m电场下获得了17.25 J/cm3的高储能密度，并且具有优异的充放电循环稳定性和1.42 μs的超快放电速率。本工作为制备高储能柔性介质薄膜电容器提供了一种简便且有效的策略。

关键词：聚合物基复合介质共混核壳结构夹层结构储能性能

取向碳化硅晶须硅橡胶复合材料导热性及绝缘性

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复合材料学报 2024年第1期41卷 134-143页

作者：于天骄宋伟冯景涛彭修峰宋文宏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哈尔滨150086 上海拜高高分子材料有限公司上海201400

随着电子产品的集成密度和功率密度不断增加,优化热界面材料变的尤为重要。本文以一维碳化硅晶须(SiC_(w))为填料,硅橡胶为基体制备出导热硅橡胶复合材料,综合分析了复合材料的微观形貌、物相结构、导热性及绝缘性。首先通过共沉淀法制... 详细信息

随着电子产品的集成密度和功率密度不断增加,优化热界面材料变的尤为重要。本文以一维碳化硅晶须(SiC_(w))为填料,硅橡胶为基体制备出导热硅橡胶复合材料,综合分析了复合材料的微观形貌、物相结构、导热性及绝缘性。首先通过共沉淀法制备出Fe_(3)O_(4)对SiC_(w)包覆的改性材料,其次将包覆Fe_(3)O_(4)的SiC_(w)在液体硅橡胶基体中分散均匀,最后将其置于恒稳磁场中完成晶须取向及基体固化。结果表明:SiC_(w)晶须表面包覆一层Fe_(3)O_(4)纳米颗粒且在硅橡胶基体中呈现取向排列,制备出SiC_(w)取向结构的硅橡胶复合材料。当取向SiC_(w)含量达到10wt%时,相比于纯硅橡胶导热系数可提升72%,比未取向10wt%SiC_(w)填充的高40%。相比于纯硅橡胶体积电阻率下降两个数量级,但仍然具有良好的绝缘性。通过COMSOL对SiC_(w)随机分散与取向排列的硅橡胶复合材料进行模拟仿真,仿真结果表明,含量10wt%的SiC_(w)可使硅橡胶导热系数提升60%,体积电阻率在10^(15)Ω∙cm以上,而10wt%取向SiC_(w)可使硅橡胶导热系数提升170%,体积电阻率在10^(14)Ω∙cm以上,与实验结果的趋势相一致。

关键词：硅橡胶碳化硅晶须取向导热性绝缘性

光辐照交联高密度聚乙烯耐环境应力开裂与直流电性能

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高分子材料科学与工程 2024年

作者：陈珍珍谢书鸿闫志雨邱兴宇牛学超王凯赵新东杨佳明中天科技海缆股份有限公司工程电介质及其应用教育部重点实验室(哈尔滨理工大学)

为满足深海光电复合缆在高压力、强腐蚀性海水环境下的运行要求，本研究选择具有良好阻水性能且可耐受直流高压的高密度聚乙烯(HDPE)作为绝缘材料，但结晶度较高的HDPE耐环境应力开裂性能较差，为此采用交联改性加强片晶间的作用力，保... 详细信息

为满足深海光电复合缆在高压力、强腐蚀性海水环境下的运行要求，本研究选择具有良好阻水性能且可耐受直流高压的高密度聚乙烯(HDPE)作为绝缘材料，但结晶度较高的HDPE耐环境应力开裂性能较差，为此采用交联改性加强片晶间的作用力，保证材料保持阻水性能的同时可以极大提高材料的耐开裂特性。鉴于HDPE加工温度高（～140 ℃），与传统的过氧化物交联及硅烷交联工艺适配性差问题，提出基于光敏的紫外光引发交联技术，配合一种含有多不饱和双键的交联助剂制备不同交联度的HDPE材料，从拉伸与热延伸试验得出，随着材料交联度的提高，片晶间的相互作用明显增强，有效提升材料的耐环境应力开裂性能(>900 h)，并保持优异的阻水特性(部有效抑制了空间电荷注入现象，并提高材料的直流电阻率，保持材料的直流击穿强度。

关键词：高密度聚乙烯紫外光辐照交联耐环境应力开裂直流电性能

细乳液聚合法制备Fe_(3)O_(4)/聚(苯乙烯-丙烯酸异辛酯)复合乳液及其胶膜阻尼性能

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复合材料学报 2024年第1期41卷 261-270页

作者：曹西平邓伟程冠之王希关文勋谢永江哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院哈尔滨150040 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 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081

用于制备水性阻尼涂层的苯丙乳液需进一步提升阻尼因子并拓宽有效阻尼温域范围。为改进苯丙乳液阻尼性能,本文以油酸(OA)修饰的纳米Fe_(3)O_(4)(OA-Fe_(3)O_(4))为被包覆填料,采用细乳液聚合法制备了Fe_(3)O_(4)/聚(苯乙烯-丙烯酸异辛酯... 详细信息

用于制备水性阻尼涂层的苯丙乳液需进一步提升阻尼因子并拓宽有效阻尼温域范围。为改进苯丙乳液阻尼性能,本文以油酸(OA)修饰的纳米Fe_(3)O_(4)(OA-Fe_(3)O_(4))为被包覆填料,采用细乳液聚合法制备了Fe_(3)O_(4)/聚(苯乙烯-丙烯酸异辛酯)(Fe_(3)O_(4)/P(St-2-EHA))复合乳液,使用FTIR、XRD、TEM、SEM、DLS、TG和DMA等方法对复合乳液及其胶膜进行表征,研究了共聚物组成、纳米Fe_(3)O_(4)表面特性与掺量对乳液及胶膜结构与性能的影响。结果表明,OA-Fe_(3)O_(4)颗粒的直接团聚现象减弱,在复合乳液中的分散性显著改善。单体St与2-EHA质量比为5∶5时,所得P(St-2-EHA)胶膜具有最高的损耗因子(tanδ)峰值1.926。当OAFe_(3)O_(4)用量为St、2-EHA总质量的10wt%时,所得Fe_(3)O_(4)/P(St-2-EHA)复合胶膜的性能最佳,其tanδ峰值和有效阻尼温域分别为2.066和59.2℃,均优于纯P(St-2-EHA)胶膜和共混法制备的复合胶膜;其吸水率比后两者分别降低3.4%和10.4%,且初始热分解温度升高,热稳定性改善。

关键词： Fe_(3)O_(4) 细乳液聚合包覆阻尼性能吸水率热稳定性

单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺电磁屏蔽薄膜的制备与性能

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物理学报 2024年第17期73卷 277-284页

作者：王天赐夏乾善黄信佐王永正刘斌张晋通黎涛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哈尔滨150080 中国航空工业集团公司济南特种结构研究所济南250023

在实际应用中,柔性、轻质、高性能是聚合物基电磁屏蔽材料应具备的特点.目前,制备兼具优异电导率、电磁屏蔽性能和力学性能的聚合物基电磁屏蔽材料仍然是一个巨大挑战.因此,本工作以单壁碳纳米管和聚醚酰亚胺为原料,通过静电纺丝和真空... 详细信息

在实际应用中,柔性、轻质、高性能是聚合物基电磁屏蔽材料应具备的特点.目前,制备兼具优异电导率、电磁屏蔽性能和力学性能的聚合物基电磁屏蔽材料仍然是一个巨大挑战.因此,本工作以单壁碳纳米管和聚醚酰亚胺为原料,通过静电纺丝和真空辅助过滤的方法制备了单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜.通过调控单壁碳纳米管的面密度,复合薄膜的电导率可以提升至1866 S/cm.对于电磁屏蔽性能,单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜在Ku波段(12-18 GHz)的总电磁屏蔽效能为75.78-81.83 dB,高于纯单壁碳纳米管薄膜的电磁屏蔽效能(65.19-69.81 dB).由于聚醚酰亚胺纤维和单壁碳纳米管之间形成了界面,在一定的单壁碳纳米管面密度范围内,界面越多,消耗的电磁波能量越多.对于力学性能,单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺薄膜的最大拉伸强度和断裂伸长率分别为28.52 MPa和7.91%,是单壁碳纳米管薄膜的1.13倍和1.5倍,随着单壁碳纳米管面密度的增大,单壁碳纳米管之间的相互作用以及聚醚酰亚胺纤维和单壁碳纳米管在界面处的相互作用对复合薄膜的力学性能起到了一定的增强作用.单壁碳纳米管/聚醚酰亚胺复合薄膜作为一种优异的聚合物基电磁屏蔽复合材料,可用于如精密电子仪器的防护和可穿戴电子设备等领域.

关键词：单壁碳纳米管聚醚酰亚胺静电纺丝电磁屏蔽

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