1、概述：

    高儲能密度復(fù)合絕緣材料在電力系統(tǒng)、脈沖功率技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用需求 。在脈沖功率技術(shù)中由于儲能元件的儲能密度低, 限制了高功率脈沖電 源的小型化和實(shí)用化 。實(shí)現(xiàn)儲能元件的小型化和輕量化, 改善材料的儲能密度是關(guān)鍵 。目前, 在大多數(shù) 場合下所用材料的儲能密度與高功率脈沖電源從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱玫囊筮€有相當(dāng)?shù)木嚯x。 高功率窄脈沖平臺中 Blumlein 線( 脈沖形成線) 是一個關(guān)鍵儲能和脈沖形成部件。它的長度與儲能絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相關(guān), 厚度主要受材料的絕緣性能影響 。脈沖電源輸出電壓脈寬( τ) 由 Blumlein 線材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率決定, 即 :

    式中:L 為 Blumlein 線的長度, μ、ε分別為材料 的相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù), C 為光速。 

    可見, 要形成長脈沖, 材料的尺寸隨之增加。以 脈寬 50ns 為例, 常用的油介質(zhì) Blumlein 線大約要 5m 長, 嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的小型化 。如果材料相對介電 常數(shù)( 下文提到的介電常數(shù)均指相對介電常數(shù)) 大于 100, 擊穿場*于 400kV cm, 用這種材料制作的 Blumlein 線與用油介質(zhì)的 Blumlein 線相比體積減小近十倍, 而且穩(wěn)定性增強(qiáng), 不需要附屬設(shè)施, 這對脈 沖源的小型化 、實(shí)用化具有極其重要的意義, 但它對材料提出了苛刻要求。 

    一般情況下, 固體 Blumlein 線采用陶瓷材料, 但 陶瓷材料加工性差, 擊穿場強(qiáng)低, 使它的應(yīng)用受到限制。目前主要采用納米技術(shù)改性陶瓷材料, 以增強(qiáng) 其加工特性和擊穿強(qiáng)度來達(dá)到使用要求 。美國 Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室、Missouri Rolla 大學(xué)等研究單位都 曾有相關(guān)的研究。采用高介電常數(shù)復(fù)合絕緣材料為解決這個難題提供了一種思路, 國內(nèi)國外都有相關(guān)的研究。由于高儲能材料在脈沖功率技術(shù)中的特殊應(yīng)用, 國外的相關(guān)報道比較謹(jǐn)慎, 對材料的成分、制備方法 、機(jī)理 、測量條件等沒有詳細(xì)的介紹。 美國的 Pennsylvania State 大學(xué)材料研究實(shí)驗(yàn)室在辦公室的支持下開展高儲能密度復(fù)合材料的研究 , 他們將瓷粉( 平均直徑 0.5μm) 與偏氟乙烯、三 氟乙烯的共聚物溶于甲乙酮溶液, 混合后, 固化制得 介電常數(shù) ε=250, 擊穿場強(qiáng) E =為1.2 MV cm( 在幾 十 μm 厚度的薄膜上測得) 的復(fù)合材料, 但在厚尺寸 下其擊穿強(qiáng)度卻大幅度下降, 而且制造困難, 不適用 于固體 Blumlein 線 。國內(nèi)西安交通大學(xué) 、上海交通 大學(xué)等單位也研究過相關(guān)高介電常數(shù)復(fù)合絕緣材料 , 研究表 明, 在 聚乙烯中加入60 %以上的BaTiO3 ( 鈦酸鋇) 微粒( 微米級) , 復(fù)合材料的介電常 數(shù)大于 20 ;同時加入 20 %鋁粉和 40 %BaTiO3 微粒, 復(fù)合材料的介電常數(shù)可達(dá)到 40, 但其擊穿場強(qiáng)只有 幾十 kV cm 。目前主要進(jìn)行對各種復(fù)合材料體系的 特性及其體系間相互作用機(jī)理的研究, 但由于材料 的復(fù)雜性, 還沒有統(tǒng)一的理論解釋和指導(dǎo), 亟待進(jìn)一 步深入的研究。 固體 Blumlein 線的研究工作已經(jīng)展開許多年, 傳輸理論比較清楚 , 但是由于材料的限制, 它的應(yīng)用還不能推廣, 隨著脈沖功率技術(shù)民用化的進(jìn)程的發(fā)展, 其研究的需求日益迫切 。針對這一需求, 我們展開了高密度儲能聚合物復(fù)合絕緣材料的研究工作。

2、高儲能密度聚合物復(fù)合絕緣材料的試驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)原材料：

    在高分子聚合物材料中, 聚酰亞胺( PI) 的優(yōu)良性能, 不僅表現(xiàn)在耐熱、耐寒特性, 具有良好 的介電特性, 并且容易實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計, 滿 足不同的性能要求。我們選擇聚酰亞胺作為基體樹 脂, 具有高介電常數(shù)的 BaTiO3 系陶瓷粉體作為無機(jī) 添加劑, 采取合理的工藝制備復(fù)合材料 。 

    所用原材料 :聚酰亞胺樹脂 KH304, 由中國科學(xué) 院化學(xué)研究所提供 。BaTiO3 系粉體 :B 粉和 F 粉兩 種, 相對介電常數(shù)分別為:2000 和 12000 ;由西安交 通大學(xué)電氣設(shè)備與電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供 。

聚酰亞胺-陶瓷復(fù)合材料的制：

高介電常數(shù)聚酰亞胺復(fù)合材料的制備過程示意 圖, 見圖 1 。

    對不同介電常數(shù)的 B 、F 的 BaTiO3 微粒, 分別以 30%、50%、65%、80%的含量加入聚酰亞胺基體制得試 樣分組為:A ( 0 %) ;加入 B 粉分別為 A1( 35%) 、A2 (50%) 、A3( 65 %) 、A4 ( 80%) ;加 入 F 粉分別為 B1 (35 %) 、B2( 50%) 、B3(65%) 、B4( 80 %) ;每組試樣三個。

性能測試

直流擊穿強(qiáng)度

    直流實(shí)驗(yàn)采用倍壓整流電路, 試驗(yàn)電壓 0 ～ 1.3 ×105V 。最高可輸出 1.3 ×105V 直流高壓 。樣品上 的電壓由靜電電壓表來測量, 量程最高可達(dá) 100kV 。 試驗(yàn)采用不對稱電極系統(tǒng), 高壓電極為 25 的圓柱 銅電極, 接地電極為 75 的圓臺銅電極, 試驗(yàn)采用 快速升壓法。快速升壓是指電壓從零上升到擊穿電 壓所經(jīng)歷的時間, 約為 10 ～ 20s, 施加最高電壓 100kV 。

    試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 1, 所測的數(shù)據(jù)有分散性, 但從整 體來看這批試樣還是成功的, 有的試樣擊穿場強(qiáng)超 過了 400kV cm 。

介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角正切：

    相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測量采用 ZJD-C介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀。分別在 1kHz 、10kHz 、 100kHz 和 1000kHz 進(jìn) 行 了 測 量, 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 見 圖 2 ～ 5 。 可以看出, A 組試樣與 B 組試樣的介電常數(shù)相 差不是很大 。在 1kHz ～ 1000kHz 頻率范圍內(nèi), 材料 的介電常數(shù)略有減小, 變化不大, 而損耗隨頻率增加 而增加;BaTiO3 含量變大, 復(fù)合材料的介電常數(shù)明顯 提高, 介質(zhì)損耗角正切趨向增加;加入F 粉體的復(fù)合 物介電常數(shù)略大于加入 B 粉體的復(fù)合物, 損耗的規(guī) 律不明顯。試驗(yàn)結(jié)果基本符合規(guī)律[ 12] 。 A 組試樣 與 B 組試樣所加入的 BaTiO3 粉體介電常數(shù)相差 6 倍, 但復(fù)合材料的介電常數(shù)增加卻不出現(xiàn)這種結(jié)果, 這可能是由于高介電常數(shù)陶瓷在粉碎成為粉體的過 程中無法保持其高介電常數(shù)特性 。

電阻率：

    電阻率用ZST-121型高阻計測量, 加 1000V 電壓。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 6 所示 。A 組試樣的電阻率略高于 B 組, 說明復(fù)合材料介電常數(shù)提高, 即電容提高, 會引 起材料電阻的降低 。因?yàn)楦呓殡姵?shù)意味著容易極化, 直接影響材料的導(dǎo)電能力 。

結(jié)論

    試驗(yàn)結(jié)果表明, 復(fù)合材料的絕緣強(qiáng)度優(yōu)良, 有的擊穿場強(qiáng)超過了 400kV cm 。在 1kHz ～ 1000kHz 頻率范圍內(nèi), 材料的介電常數(shù)隨著頻率的提高略有減小, 變化不大, 而損耗隨頻率增加而增加;BaTiO3 含量增 大, 復(fù)合材料的介電常數(shù)明顯提高, 介質(zhì)損耗角正切趨向增加 ;加入 F 粉體的復(fù)合物介電常數(shù)略大于加 入 B 粉體的復(fù)合物。加入BaTiO3 會減小材料的電 阻率 。

    初步的研究結(jié)果表明目前試樣的性能與應(yīng)用需求還有一定的距離, 但通過進(jìn)一步對基體材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化和調(diào)整 、陶瓷粉體微粒的細(xì)化和工藝變化等方法, 復(fù)合材料的參數(shù)還可以進(jìn)一步提高。 同時, 還可能通過其它的方法來達(dá)到固體Blumlein 線的要求, 如在聚合物中加入磁性材料粉末, 適當(dāng)?shù)?/span>提高材料的磁導(dǎo)率等, 我們將進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究工作 。