聚合物納米複合電介質的擊穿性能

電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）的研究人員王威望、李盛濤、劉文鳳，在2017年第16期《電工技術學報》上撰文指出，聚合物納米複合電介質作為第三代絕緣材料表現出優異的電氣特性，其中擊穿是納米複合電介質的關鍵性能之一。

很多研究表明納米複合電介質的擊穿性能明顯優於純聚合物和微米複合電介質材料。針對第一代納米複合電介質的國內外研究現狀，綜述了其擊穿性能（包括體擊穿和沿面閃絡特性），討論了納米複合電介質擊穿特性改善的機理。

基於國內外研究現狀和本課題組的研究積累，提出了自由體積對聚合物納米複合電介質擊穿的重要影響，指出了納米粒子對聚合物基體自由體積參數的影響規律；研究了電荷輸運微觀過程對納米複合電介質擊穿的影響機制，闡述了陷阱參數與體擊穿和沿面閃絡性能的關係；總結了納米改性與複合材料體和表面電荷輸運參數調控的關聯，指出了納米摻雜同時改善聚合物介質體擊穿和沿面閃絡特性的機理。

體擊穿是絕緣介質材料在電場下發生內部破壞的短時現象。一般體擊穿發生的時間小於1ms，這種短時破壞可直接導致絕緣失效，造成電力設備癱瘓。另外，絕緣介質材料的沿面閃絡，是發生在介質材料表面的擊穿現象（一種表面放電）。沿面閃絡可發生在ns～s之間較寬的時間尺度；可造成絕緣介質表面劣化甚至破壞、信號干擾和設備短路，威脅電力設備的運行可靠性。

一般電力設備中固體絕緣材料與氣體或真空間的界面是絕緣的薄弱點，這些地方容易發生沿面閃絡。體擊穿和沿面閃絡都屬於絕緣介質的短時擊穿性能，在絕緣介質性能研究、尤其是新材料設計和開發中是必須考慮的關鍵問題。

一般情況下，聚合物介質的擊穿場強受很多因素的影響，是一個複雜難懂的物理現象，如介質厚度、溫度和壓力等。這些影響因素會改變聚合物複雜的結構和形態，從而影響材料的擊穿過程。在工程應用方面，通常採用在聚合物中添加無機微米顆粒來製備複合材料，以提高純聚合物的機械、熱和某些電特性。但對擊穿性能而言，無機微米顆粒一般會引入雜質或缺陷；電場作用下，複合材料內部電場發生畸變，從而導致其擊穿場強下降。

通過在聚合物材料中添加無機納米粒子，並進行界面微觀結構設計和調控，可製備出聚合物納米複合電介質材料。由於受納米粒子特性，如小尺寸、比表面積大、量子隧道效應等的影響，聚合物納米複合電介質表現出優異的擊穿特性[1-4]；其擊穿性能受納米粒子表面處理[5,6]、納米粒子類型和含量[1,7]、內聚能密度（CohesiveEnergy Density,CED）和玻璃化轉變溫度等[8,9]多個因素的影響。

納米粒子的物理化學性質對複合電介質的擊穿至關重要。粒子表面極性和非極性的官能團與聚合物分子鏈相互作用將影響其擊穿過程。另外，納米粒子的引入改變了聚合物的形態結構，特別是結晶行為，進而影響擊穿。

研究指出納米複合電介質優異的擊穿性能來源於納米粒子和聚合物基體間的界面區[10-12]。因此，很多研究者關注界面區的物理化學特性，試圖通過物理化學方法來修飾納米粒子表面，從而調控界面區特性，提高複合介質的擊穿場強。

納米粒子通常位於聚合物的無定形區或無定形與結晶區的界面，改變聚合物的形態和結構。由於電荷輸運特性與聚合物的形態和結構密切相關，因此，納米複合電介質的擊穿取決於微觀界面區的形態和結構對其電荷輸運特性的影響。根據已有的擊穿理論[13]，研究者討論了界面區特性，如陷阱和自由體積等對電荷輸運的影響，闡述了納米複合電介質的擊穿機理[8,14,15]。

圖1 原位和非原位方法製備的EP/TiO2納米複合電介質的擊穿特性

結論和展望

由以上研究可知，少量納米粒子可提高聚合物的擊穿特性。這種改善歸因於界面區效應對電荷輸運微觀參數的影響，如自由體積、陷阱和介電常數等。其中陷阱參數是載流子電荷輸運的關鍵因素。納米粒子可以改變陷阱的深度和密度，從而改善擊穿性能。一般情況下，適量的增加深陷阱可以提高複合材料的擊穿場強。

以上的研究針對第一代納米複合電介質材料。正如TanakaT.所言，第一代納米複合電介質穩定性和可靠性不高，這使得很多特性無法很好地從物理和化學角度去理解，從而限制了納米複合電介質性能的提升和應用。為了更好地研究和發展新型納米複合電介質材料，需要從以下幾點入手。

首先，開展第二代納米複合電介質的合成和製備研究。第二代納米複合電介質突出界面區的修飾和調控，通過這種技術可以獲得電氣性能的綜合提升。其中界面修飾是其關鍵點。可通過兩種方法來實現；一種是採用先進的化學製備技術，如原位自由基聚合、可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合等。二是採用先進的表徵技術表徵界面區，如原子力顯微鏡、光致發光、正電子湮滅等。這些技術可以很好地探測聚合物微觀結構的信息，從而有助於分析和研究其性能改善機理。

其次，需要研究納米複合電介質微觀-介觀-宏觀（3M）的時空層次關係，獲得納米複合電介質的時空物理特性和機理。這也是雷清泉院士在第354次香山會議上提出的關鍵科學問題[46]。當聚合物中引入納米粒子后，聚合物的時空層次結構和形態變得更加複雜。如何考慮這種複雜的結構對性能的影響是未來研究面臨的挑戰。

界面區處於介觀尺度（約10nm），理解介觀尺度的介電理論並與上述的3M進行關聯是發展納米複合電介質的重要課題。例如需要重新考慮介觀尺度的FowlerNordheim和隧道效應，分析陷阱在介觀尺度的效應等。另外，需要考慮擊穿的時空層次關係，擊穿場強與厚度、時間的關係，以及納米粒子如何影響絕緣介質的短時擊穿和長時老化等。