畢業(yè)論文-納米復(fù)合硅橡膠介電譜特性及空間電荷特性研究

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文- PAGE II -哈 爾 濱 理 工 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目： 納米復(fù)合硅橡膠介電譜特性及空間 電荷特性研究 院、 系： 電氣與電子工程學(xué)院 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 2012 年 6 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- PAGE II -納米復(fù)合硅橡膠介電譜特性及空間電荷特性研究摘要為研究納米復(fù)合硅橡膠材料性能，首先測試了納米復(fù)合硅橡膠材料的介電頻譜，因為介電譜是絕緣聚合物研究中非常重要的參數(shù),其次研究了納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷特性。利用介電譜儀測量了介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)。實驗結(jié)果表明添加比未添加納米氧化鋁粒子的納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)高

2、，且隨著納米氧化鋁粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，介電常數(shù)增大，但由于納米氧化鋁粒子分散性的影響,分散性越好可使介電常數(shù)相對下降；隨著納米氧化鋁粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，介質(zhì)損耗因數(shù)在低頻下減小，在高頻下幾乎不變。利用電聲脈沖法(pulse electro acoustic method, PEA法)測量了納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對硅橡膠空間電荷特性的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明隨著納米氧化鋁粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,相同外加場強下,納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷積聚量增加。分析認(rèn)為,空間電荷特性隨著納米氧化鋁粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而呈現(xiàn)變化歸因于納米界面效應(yīng)導(dǎo)致的陷阱能級分裂,淺陷阱密度增多,從而使得硅橡膠中空間電荷更容易積聚且空

3、間電荷量增加。關(guān)鍵詞納米氧化鋁；硅橡膠；空間電荷；介電譜Nanoalumina Silicone Rubber Dielectric Spectrum Characteristics and Space Charge Properties ResearchAbstractRegarding to space charge characteristics of silicone rubber, on the one hand, we investigated the nanoalumina silicone rubber material dielectric spectroscopy. Bec

4、ause dielectric spectroscopy in insulation polymer research is a very important parameter. On the other hand, we investigated the influence of nanoalumina(Al2O3) on space charge behavior of silicone rubber. The permittivity and dielectric loss factor were measured by dielectric spectrum. The experim

5、ental results show that the permittivity of adding nanoalumina particles of silicone rubber materials is higher than not adding. With the improvement of the mass fraction of nanoalumina particles, the permittivity increased. But due to the influence of nanoalumina particles dispersion, the better di

6、spersion can make the permittivity relative declining. With increasing the mass fraction of nanoalumina particles, dielectric loss factor in the low frequency decreased and in the high frequency virtually unchanged. The space charge in silicone rubber (SIR) is measured by pulse electro acoustic meth

7、od (PEA).The test results show that more space charges accumulate in SIR as the mass fraction of nanoalumina particles increase under the same applied field. It is presumed that with increasing the mass fraction of nanoalumina particles, space charge characteristics present to change because of nano

8、interface effects leading to trap level splitting. Shallow trap density increases, which makes the space charge in silicone rubber more easily accumulated and increased.Keywordsnanoalumina, silicone rubber. space charge, dielectric spectroscopyPAGE II- - PAGE III -目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * RO

9、MAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327962456 第1章 緒論 PAGEREF _Toc327962456 h 1 HYPERLINK l _Toc327962457 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc327962457 h 1 HYPERLINK l _Toc327962458 1.2 納米復(fù)合硅橡膠材料的國內(nèi)外發(fā)展 PAGEREF _Toc327962458 h 1 HYPERLINK l _Toc327962459 1.3 本課題對納米復(fù)合硅橡膠材料的研究意義及內(nèi)容 PAGEREF _Toc327962459 h 6 HYPERLI

10、NK l _Toc327962460 第2章 納米復(fù)合硅橡膠材料性能實驗原理 PAGEREF _Toc327962460 h 7 HYPERLINK l _Toc327962461 2.1 納米復(fù)合硅橡膠材 PAGEREF _Toc327962461 h 7 HYPERLINK l _Toc327962462 2.2 納米復(fù)合硅橡膠材料的性能 PAGEREF _Toc327962462 h 7 HYPERLINK l _Toc327962463 2.2.1 納米復(fù)合硅橡膠材料的介電頻譜 PAGEREF _Toc327962463 h 7 HYPERLINK l _Toc327962464 2.

11、2.2 納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù) PAGEREF _Toc327962464 h 8 HYPERLINK l _Toc327962465 2.2.3 納米復(fù)合硅橡膠材料的介質(zhì)損耗因數(shù) PAGEREF _Toc327962465 h 8 HYPERLINK l _Toc327962466 2.2.4 納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷 PAGEREF _Toc327962466 h 9 HYPERLINK l _Toc327962467 2.3 納米復(fù)合硅橡膠材料介電譜實驗步驟 PAGEREF _Toc327962467 h 10 HYPERLINK l _Toc327962468 2.4 納米復(fù)

12、合硅橡膠材料空間電荷實驗步驟 PAGEREF _Toc327962468 h 10 HYPERLINK l _Toc327962469 第3章 納米復(fù)合硅橡膠材料實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc327962469 h 14 HYPERLINK l _Toc327962470 3.1 介電常數(shù)的實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc327962470 h 14 HYPERLINK l _Toc327962471 3.2 介電損耗因數(shù)的實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc327962471 h 15 HYPERLINK l _Toc327962472 3.3 空間電荷的實驗結(jié)果 PAGEREF _To

13、c327962472 h 16 HYPERLINK l _Toc327962473 結(jié)論 PAGEREF _Toc327962473 h 20 HYPERLINK l _Toc327962474 致謝 PAGEREF _Toc327962474 h 21 HYPERLINK l _Toc327962475 參考文獻 PAGEREF _Toc327962475 h 22 HYPERLINK l _Toc327962476 附錄 PAGEREF _Toc327962476 h 24- PAGE 10 - PAGE 37 -緒論課題背景硅橡膠是特種合成橡膠中的重要品種之一,與一般的有機橡膠相比,具有

14、非常優(yōu)良的耐熱性、耐寒性和耐候性以及電氣特性,在航天、航空、電子電器工業(yè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,其需求量也在穩(wěn)步增長。目前國內(nèi)外使用的合成絕緣子,絕大多數(shù)是硅橡膠絕緣子。隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,工業(yè)化水平的不斷提高,人們對于硅橡膠的要求也越來越高,傳統(tǒng)的硅橡膠產(chǎn)品已經(jīng)很難滿足人們的要求,尤其在機械性能、阻燃性、抗老化性等方面。因此對硅橡膠進行改性就顯得刻不容緩。納米復(fù)合材料是將納米粒子作為分散相分散于聚合物中制成的納米復(fù)合材料,以提高高分子材料性能。由于分散相納米粒子具有很大的比表面積,界面相互作用極強,可以依靠化學(xué)鍵以及吸附等組分間協(xié)同作用,使納米復(fù)合材料具有許多普通復(fù)合材料并不具備的新的優(yōu)異

15、性能,因此制備納米復(fù)合材料是獲得高性能復(fù)合材料的重要方法之一1。納米粒子和納米復(fù)合材料技術(shù)在硅橡膠改性中的應(yīng)用, 使硅橡膠納米復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)、性能展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景,已成為材料科學(xué)研究的熱點。目前對其研究可以說仍處于初級階段,理論上還不成熟,制備技術(shù)還不完善,對復(fù)合機理、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系等方面還有待進一步探索。納米復(fù)合技術(shù)具有高分散性、可設(shè)計性(物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、界面、形狀、尺寸及其分布等),是硅橡膠增強技術(shù)發(fā)展方向。隨著研究的不斷深入、制備技術(shù)的進一步完善以及對結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的更深層次的了解,硅橡膠納米復(fù)合材料將會有突破性進展,能設(shè)計和生產(chǎn)出高性能和多功能的新型硅橡膠納米復(fù)合材料2。納米復(fù)合硅

16、橡膠材料的國內(nèi)外發(fā)展硅橡膠因具有優(yōu)異的耐高低溫、耐候、耐臭氧、抗電弧、電氣絕緣性、耐化學(xué)品、高透氣性及生理惰性等性能，而在航空、航天、電子電氣、化工儀表、汽車、機械等工業(yè)，建筑業(yè)以及醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用3-4。據(jù)報道，2008 年中國的硅橡膠用量已超過500千噸。隨著人們對硅橡膠的性能尤其是力學(xué)性能、阻燃性、抗老化性、導(dǎo)電性等的要求越來越高，傳統(tǒng)硅橡膠產(chǎn)品已經(jīng)很難滿足，因此需要對硅橡膠進行改性。橡膠納米復(fù)合材料是以橡膠為基體、填充顆粒以納米尺度(小于100 nm)分散于基體中的新型高分子復(fù)合材料。與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，由于納米粒子帶來的納米效應(yīng)和納米粒子與基體間強的界面相互

17、作用，橡膠納米復(fù)合材料具有優(yōu)于相同組分常規(guī)聚合物復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)性能，可作為新一代高性能、多功能復(fù)合材料。因此，用納米材料對硅橡膠進行改性，是硅橡膠高性能化的發(fā)展趨勢5。國內(nèi)外主要研究了納米層片復(fù)合材料、納米纖維(管)復(fù)合材料和納米顆粒復(fù)合材料，納米層片復(fù)合材料包括黏土體系、石墨體系，納米顆粒復(fù)合材料包括炭黑體系、白炭黑體系、金屬化合物體系、納米碳酸鈣體系。（1）納米層片復(fù)合材料1)黏土體系：黏土粒子由很多晶層組成,晶層表面氧元素比重較大，且有過剩電荷，因而極易結(jié)合正離子。層與層間因共用正離子而形成非常緊密的結(jié)合，常規(guī)的聚合物機械混合力不足以將黏土分層，因此，黏土與聚合物簡單的機械熔體共混

18、得到的只是微米級黏土/聚合物復(fù)合材料，要想獲得黏土在聚合物中的單層或多層的納米級分散,必須利用黏土的結(jié)構(gòu)特性形成更強的插層驅(qū)動力。Bumside等6將有機黏土先分散在有機溶劑中,然后加入到硅橡膠溶液中,混合,脫去溶劑制得黏土/硅橡膠納米復(fù)合材料。這種方法的工藝簡單,當(dāng)溶液濃度較低時,分散性較熔體插層法高,但其插層驅(qū)動力為物理作用,分散性不如反插層法,而且所需溶劑量較大。納米微粒在硅橡膠基體中受到外力作用時,具有定向排列的現(xiàn)象,在排列的方向上形成一道屏障,阻礙氣體的滲透,從而使復(fù)合橡膠表現(xiàn)出優(yōu)異的阻隔性。王勝杰等7研究了硅橡膠及硅橡膠/黏土復(fù)合物的熱重分析曲線,發(fā)現(xiàn)在復(fù)合物中填料用量為20%的情

19、況下,沒有添加黏土的硅橡膠在381開始分解,而用熔融法制備的硅橡膠/黏土復(fù)合物在412開始分解,充分說明了黏土明顯的阻隔作用。當(dāng)以少量正硅酸乙酯參與硅橡膠插層黏土?xí)r,使大分子鏈與黏土產(chǎn)生化學(xué)鍵作用,2)石墨體系：石墨片層是共價鍵結(jié)合的正六邊形片狀結(jié)構(gòu)單元，層間由鍵和范德華力連接。由于石墨層間存在流動的電子，使石墨易被氧化成為可膨脹石墨?？膳蛎浭?jīng)高溫膨化可得到疏松多孔的膨脹石墨(EG)。EG具有優(yōu)異的自潤滑性、化學(xué)穩(wěn)定性、氣體阻隔性，填充EG得到的聚合物復(fù)合材料可望成為性能優(yōu)良的阻燃材料、減摩材料、耐老化材料、密封材料等，具有廣闊的應(yīng)用前景。Mu等8利用熔融共混法與溶液插層法制備了硅橡膠/石

20、墨納米復(fù)合材料，實驗表明，石墨片層的加入使材料的導(dǎo)熱性能有了較大的提高，且溶液插層法優(yōu)于熔融插層法，原因是熔體法制備過程中石墨片層受到機械剪切破壞，形狀系數(shù)大幅度減小，導(dǎo)致無法形成有效的導(dǎo)熱通路，導(dǎo)熱性能因此下降。Chen等9=10使用溶液共混的方法將石墨片層加入硅橡膠基體并制備了應(yīng)用于小壓力下電阻可變的納米復(fù)合材料。當(dāng)微小的應(yīng)力(在手指觸摸力范圍)作用于材料時，分散于橡膠基體的石墨片層隨之發(fā)生位移，形成導(dǎo)電通路，使材料由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。其壓阻敏感機理及變化規(guī)律與納米炭黑填充導(dǎo)電硅橡膠相似。當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.36%時，這種壓阻敏感性表現(xiàn)得最為明顯。這種硅橡膠納米復(fù)合材料在電子電氣及傳感器制造

21、中有很好的應(yīng)用前景。（2）納米纖維(管)復(fù)合材料：納米纖維是指直徑小于100nm的纖維材料。纖維型納米填料由于其長徑比大、比表面積大等特性，對硅橡膠增強性能有很好的效果。最初納米纖維復(fù)合材料研究集中在碳納米纖維和碳納米管上。隨著研究的深入，一些由許多納米尺度的纖維微晶堆砌而成的天然無機礦物填料，如凹凸棒土(AT)等也被應(yīng)用到這類材料的研究當(dāng)中。寧英沛等11在甲基乙烯基硅橡膠(MVQ)中加入一種自制的擁有良好彈性的納米乙炔導(dǎo)電纖維后，可以制備成性能良好的導(dǎo)電材料。這種纖維容易分散，且加工性能良好。經(jīng)導(dǎo)電性能分析，填充導(dǎo)電纖維的混煉膠導(dǎo)電性接近導(dǎo)電炭黑。由于導(dǎo)電纖維與基體硅橡膠分子的纏結(jié)和鑲嵌作用

22、，使復(fù)合材料的硬度、拉伸強度都有所增加。當(dāng)此種導(dǎo)電纖維與導(dǎo)電炭黑并用時具有協(xié)同作用，可同時改善硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與力學(xué)性能。Jiang等12將氨丙基三乙氧基硅烷改性的多壁碳納米管添加到甲基乙烯基硅橡膠MVQ基體中制備導(dǎo)電材料。實驗表明，改性多壁碳納米管在四氫呋喃溶劑中無聚集現(xiàn)象；由于界面性質(zhì)有所改善，實驗所得硅橡膠碳納米管復(fù)合材料在電鏡下分布均一，導(dǎo)電性能明顯增強。隨著碳納米管用量的增加，材料導(dǎo)電性能逐漸提高，碳納米管用量在3.45份時達(dá)到最大值。徐斌海等13以納米AT為增強劑，采用機械共混法對MVQ進行填充以制備MVQ/納米凹凸棒土AT復(fù)合材料。分析表明，納米AT對MVQ具有較好的增強

23、作用，且經(jīng)濕法改性后有利于改善復(fù)合材料的性能，提高材料的耐熱性能。流變性能測試結(jié)果表明，通過改性可以增強AT與MVQ分子之間的界面結(jié)合力，減少填料聚集，降低Payne 效應(yīng)。何強等14利用機械共混法將碳納米管混入硅橡膠/氧化鋁導(dǎo)熱復(fù)合材料中，研究結(jié)果表明，碳納米管在硅橡膠基體中達(dá)到了良好的分散；隨著碳納米管用量的增加，材料導(dǎo)熱性能逐漸提高；在氧化鋁用量較大時，碳納米管對材料導(dǎo)熱性能的影響只有簡單的疊加效應(yīng)；而氧化鋁用量適中時，由于碳納米管有助于填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，因而對導(dǎo)熱性能起到了協(xié)同增加的效果。（3）硅橡膠/納米顆粒復(fù)合材料1)炭黑體系:炭黑作為一種基本的硅橡膠增強劑，在硅橡膠中得到廣泛應(yīng)

24、用。但炭黑在硅橡膠中最大的用途是作為導(dǎo)電填料用于制備導(dǎo)電復(fù)合材料。目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電填料是銀粉和導(dǎo)電炭黑。銀粉雖有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和導(dǎo)電穩(wěn)定性，但價格昂貴；導(dǎo)電炭黑雖然導(dǎo)電性能一般，但價格較低，且與聚合物基體的結(jié)合能力強，因此在導(dǎo)電材料中的應(yīng)用更為普遍。Wang等15-17對采用納米炭黑粒子填充硅橡膠基體制備壓阻型材料進行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)納米炭黑填料的含量是決定材料壓阻敏感性特征的決定性因素。當(dāng)炭黑含量較低時，復(fù)合材料中形成的導(dǎo)電通路較少，承受壓力時材料往往遭到破壞，造成導(dǎo)電性能降低；而當(dāng)炭黑含量高于導(dǎo)電逾滲臨界量時，外加壓力將使材料內(nèi)部形成更多的導(dǎo)電通路，電阻降低，導(dǎo)電能力增強。研究也發(fā)現(xiàn)

25、在材料受力存在時間效應(yīng)以及應(yīng)力突然作用時，導(dǎo)電通路的破壞大于形成，材料導(dǎo)電性能降低；隨后由于壓力作用導(dǎo)電通路逐漸增多，導(dǎo)電性能升高。2)硅橡膠/白炭黑體系:硅橡膠中添加納米二氧化硅(白炭黑)是硅橡膠增強最主要的手段。補強用的白炭黑按其制法可分為氣相法和沉淀法兩大類。氣相法白炭黑是由四氯化硅在氫氣和氧氣中燃燒生成,純度高,粒徑細(xì),比表面積大,補強效果好，所得硅橡膠的電性能、密封耐熱性、疲勞耐久性、熱空氣硫化性較好。沉淀法白炭黑則是由水玻璃(硅酸鈉)在鹽酸或硫酸中反應(yīng)制得，其粒子表面SiOH4較多，比表面積小，補強效果不如氣相法白炭黑。但是氣相法白炭黑價格較高，約為生膠的1.52倍,而沉淀法白炭黑

26、成本低廉, 價格僅為生膠的1/41/2。實際使用中經(jīng)常選擇沉淀法白炭黑代替部分氣相法白炭黑以降低硅橡膠的成本。白炭黑表面含有大量的硅羥基，故粒子間的凝聚力相當(dāng)強，在生膠中很難分散，并且還易與生膠分子中的Si-O鍵或Si-OH作用,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化現(xiàn)象，給膠料的存儲、加工及應(yīng)用帶來問題，因此填充前常對白炭黑表面進行處理。但是表面處理并非越徹底越好,二氧化硅表面需要保留一定數(shù)量的Si-OH，才能起到補強的效果18-19。Okel等20系統(tǒng)地研究了沉淀法白炭黑的各種物理性能對硅橡膠物理機械性能的影響,希望通過白炭黑物理性能的組合找到可以定量預(yù)測硅橡膠機械性能的經(jīng)驗公式。他們認(rèn)為:根據(jù)沉淀法白炭黑的比表面積

27、、吸油度、pH值、粒徑、吸濕性、殘余鈉及金屬鹽類等綜合性能參數(shù), 才能確定硅橡膠的最終性能。一般來說,高比表面積和吸油度、較小聚集粒徑、低吸濕性、低殘留鈉和金屬鹽類,以及pH值在5.56.0之間的沉淀法白炭黑有好的補強性能。蔣頌波等21采用不同偶聯(lián)劑對氣相法白炭黑進行了表面改性，以增強白炭黑與室溫硫化硅橡膠的相容性，并對制得的復(fù)合材料進行紅外分析，結(jié)果表明，偶聯(lián)劑分子接枝到了白炭黑表面。表面改性效果最好的偶聯(lián)劑是乙烯基三甲氧基硅烷，當(dāng)白炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，硅橡膠的拉伸強度最大，可達(dá)1.5MPa，比純膠提高了6.5倍。鄭秋紅等22以表面改性的可分散性(DNS)系列納米二氧化硅加入硅橡膠基體，

28、利用Payne效應(yīng)分析了其在硅橡膠中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并與氣相法白炭黑填充硅橡膠體系做了對比。結(jié)果表明，由于納米二氧化硅微粒表面鍵合了有機碳鏈，無需加入分散劑，DNS系列納米二氧化硅在硅橡膠中分散性好，與硅橡膠相容性好，對硅橡膠有較強的增強效果。在相同添加量下，DNS系列二氧化硅納米微粒增強的硅橡膠的拉伸強度、撕裂強度、扯斷伸長率等力學(xué)性能都優(yōu)于氣相法白炭黑。其中，增強效果最好的是添加DNS-3的硅橡膠，其拉伸強度和撕裂強度分別達(dá)到了9.6MPa、34.8kN/m，比氣相法白炭黑增強膠料分別提高了71%和150%。納米TiO2:是一種穩(wěn)定的紫外光吸收劑,在聚合物材料中具有抗紫外輻射作用,防止高分

29、子鏈的光解老化,含有納米TiO2的硅橡膠復(fù)合材料抗紫外輻射性能明顯提高?？估匣阅苤饕売谒陌雽?dǎo)體性質(zhì),當(dāng)受到光(紫外光或太陽光)的作用時,能使原子的價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子一空穴對的納米微粒,從而具有了光敏特性,引起紫外光吸收,尤其是對中長紫外線的吸收能力很強。粒徑是影響納米TiO2散射紫外線能力的重要因素之一23,在很大程度上決定了納米TiO2的紫外線屏蔽能力。散射紫外線的最佳粒徑應(yīng)為60-120nm,粒徑小于50nm或大于150nm的TiO2對紫外線散射能力下降，吸收能力增強。然而由于TiO2晶體中Ti-O鍵不等長產(chǎn)生不平衡的強烈吸收，使得TiO2分子呈現(xiàn)強極性，在有機介質(zhì)中分散

30、困難, 易發(fā)生團聚,因而填充前需對其進行表面改性。潘偉等24研究了導(dǎo)電炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的電氣性能。發(fā)現(xiàn)一些原本不導(dǎo)電的無機納米粒子,在納米復(fù)合體系中卻有使導(dǎo)電能力增大的現(xiàn)象。其中納米SiO2會使導(dǎo)電炭黑/硅橡膠的壓阻效應(yīng)更加顯著,并且在一定范圍內(nèi),復(fù)合橡膠的電阻隨壓力的增加呈線性增加。納米SiO2還會改變導(dǎo)電炭黑/硅橡膠體系溫阻變化趨勢,使復(fù)合體系的電阻隨溫度升高而增加。3)硅橡膠/金屬化合物體系:由于金屬氧化物、金屬氮化物本身具有較好的導(dǎo)熱性能，因此通常應(yīng)用于導(dǎo)熱硅橡膠復(fù)合材料的制備。該類導(dǎo)熱硅橡膠復(fù)合材料已大量應(yīng)用于微電子行業(yè)，用作熱界面材料，確保電子元件的安全散熱，并能起到阻尼減震的

31、作用。現(xiàn)在主要應(yīng)用的導(dǎo)熱填料多為微米級，但是如果填料尺寸從微米級減小到納米級，則填料會因粒子內(nèi)原子間距和結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生質(zhì)變，使其導(dǎo)熱性能急劇升高。Zhou等25-26研究了氧化鋁的粒徑和填充量對甲基乙烯基硅橡膠導(dǎo)熱性能及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)隨微米級氧化鋁填充量的增加而升高，但填充量過大會導(dǎo)致材料力學(xué)性能和加工性能變差。研究者發(fā)現(xiàn)，與單一微米粒子的氧化鋁填充硅橡膠相比，在高填充量下，微米和納米的混合粒子填充的硅橡膠可使小粒徑與大粒徑導(dǎo)熱粒子形成比較緊密的堆積，有利于形成更有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，因此呈現(xiàn)較高的導(dǎo)熱性能。4)硅橡膠/納米碳酸鈣體系:Kornameni27研究了納米A

32、l2O3與硅橡膠的復(fù)合材料,這種材料與常規(guī)硅橡膠相比,其耐磨性、拉伸強度、斷裂伸長率等均有大幅度的提高。高偉等28在研究普通CaCO3和納米CaCO3對硅橡膠的補強作用時發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的減小,復(fù)合材料的斷裂伸長率逐漸提高，添加了納米CaCO3的硅橡膠拉伸強度顯著提高,而且起到了同時增強增韌的作用。碳酸鈣作為粉體添加劑廣泛應(yīng)用于橡膠改性，通常起增量填充劑的作用，即增加制品體積、降低成本。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，碳酸鈣的粒徑已可以達(dá)到40nm。與其他納米填料一樣，納米級碳酸鈣粉體也具有較高的增強作用。高偉等通過對比普通和納米碳酸鈣增強硅橡膠的效果發(fā)現(xiàn)，隨著粒徑的減小，復(fù)合材料的扯斷伸長率逐漸提高，

33、添加了納米碳酸鈣的硅橡膠復(fù)合材料拉伸強度顯著提高。實驗中還發(fā)現(xiàn)，利用不同粒徑的混合填料增強硅橡膠，當(dāng)搭配合適時可以獲得最佳增強效果。Kaully等29研究了不同粒徑下高填充天然碳酸鈣納米粉末的硅橡膠的拉伸及彎曲振動性能，并研究了使用脂肪酸對納米碳酸鈣進行表面處理對復(fù)合材料性能的影響。實驗表明，小粒徑碳酸鈣有利于提高材料的拉伸強度；當(dāng)填料增加時，材料的彈性模量也隨之增加，最高填充體積分?jǐn)?shù)可達(dá)68%。研究者還發(fā)現(xiàn)，使用脂肪酸對碳酸鈣的表面處理不利于材料力學(xué)性能的提高，體積分?jǐn)?shù)為64%時，處理過的粒子所填充膠料的損耗因子幾乎是未處理的2倍。納米級填充粒子對基體性質(zhì)的改善取決于小粒徑效應(yīng)；然而粒徑越小

34、，越容易在其生產(chǎn)過程中形成一次聚集，在橡膠基質(zhì)中產(chǎn)生二次聚集，這對應(yīng)用是不利的。通過偶聯(lián)劑、改性劑等其他處理方法對填料表面進行改性，提高填料與基體的相容性，是減少納米粒子聚集、改善分散狀態(tài)和增強界面結(jié)合的有效手段，也是當(dāng)前研究的重點。本課題對納米復(fù)合硅橡膠材料的研究意義及內(nèi)容 納米氧化鋁粒子在硅橡膠改性中的應(yīng)用,使納米復(fù)合硅橡膠材料在電導(dǎo)、擊穿、破壞、老化等方面的電特性展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景，已成為材料科學(xué)研究的熱點，是硅橡膠材料的發(fā)展方向之一。我們相信隨著研究的深入，對其電性能的深層了解，能得到高性能的新型納米復(fù)合硅橡膠材料。為了研究納米復(fù)合材料硅橡膠性能，首先，我查看了納米復(fù)合硅橡膠材料相關(guān)

35、論文，歸納了納米復(fù)合硅橡膠材料的國內(nèi)外發(fā)展；其次，做了納米氧化鋁對硅橡膠材料的介電譜實驗和空間電荷實驗，測試了納米氧化鋁對硅橡膠材料的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)以及空間電荷特性的影響；最后，得出納米氧化鋁對硅橡膠材料的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)以及空間電荷特性影響的結(jié)論。納米復(fù)合硅橡膠材料性能實驗原理納米復(fù)合硅橡膠材準(zhǔn)備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%,3%,4%的納米復(fù)合硅橡膠材料若干份。本文采用納米氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表征氧化鋁與硅橡膠基體的重量比，氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)指100g(重量)硅橡膠基體中所添加的氧化鋁的重量，例如，氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，表示氧化鋁與硅橡膠基體的重量比為3g:100g，下同。納米復(fù)合

36、硅橡膠材料的性能納米復(fù)合硅橡膠的性能包括介電常數(shù)，介質(zhì)損耗因數(shù)，電導(dǎo)率，空間電荷特性，電擊穿特性和長期耐壓特性等。在這里只研究納米復(fù)合硅橡膠的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和空間電荷特性。納米復(fù)合硅橡膠材料的介電頻譜介電頻譜指的是介電常數(shù)與頻率之間的動態(tài)變化關(guān)系,研究覆10-731013共20個數(shù)量級的廣闊頻程,從中可獲得離子位移,價電子云畸變,缺陷位移,空間電荷態(tài)和局部電矩取向等物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要信息,是揭示高分子結(jié)構(gòu)和極性固體中空間電荷運動規(guī)律最有效的方法之一。頻域介電譜儀測量交流電場刺激下的極化響應(yīng)，可以對不同的刺激頻率進行逐點或掃描測量，從而獲得介質(zhì)損耗因數(shù)和復(fù)電容對頻率的函數(shù)關(guān)系。絕緣聚合物電介

37、質(zhì)材料的介電常數(shù)是工程絕緣材料的重要參數(shù)實驗設(shè)計：一個平行板電容器,極板間真空時電容量為C0,在極板之間充滿電介質(zhì)之后,當(dāng)系統(tǒng)施加一個正弦電場E*()=E0exp(jt)（對于大多數(shù)材料，振幅E0106V/cm以保證在線性響應(yīng)區(qū)間內(nèi)）時，C*()是通過測量樣品的復(fù)阻抗Z*()得到的：(2-1)式中，為介電常數(shù)的實部，為介電常數(shù)的虛部，C0為幾何電容,C()是復(fù)電容實部，代表電介質(zhì)材料在施加電壓作用下無損耗的容性部分；C()是復(fù)電容虛部，代表電介質(zhì)材料損耗的部分。介質(zhì)損耗因數(shù)可以由下式計算： (2-2)在工程技術(shù)上用tan表示介質(zhì)損耗因數(shù),。當(dāng)介電常數(shù)隨電場頻率變化時,則形成介電頻譜,可分為實部

38、譜和虛部譜。本文用介電譜儀測量了納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)。介電譜儀具有極寬的頻率范圍（3Hz-3GHz），能靈敏地測量極低電導(dǎo)率和極低損耗的材料，并且運用數(shù)字技術(shù)可達(dá)到10-5分辨率。介電譜儀通過測量材料的介電性質(zhì)及其隨頻率和溫度的變化，可直接測得材料的介電損耗，從而研究材料的介電損耗機制（材料弛豫、相變、微結(jié)構(gòu)變化、分子團重新取向等），介電譜儀對于聚合物分子的鏈接、取向和固化極為靈敏。納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)電介質(zhì)在外電場E的作用下產(chǎn)生電位移D的響應(yīng),外場對物質(zhì)做功即，。當(dāng)時涉及的外場很弱,故對于各向同性物質(zhì)默認(rèn)了線性關(guān)系為。稱l的物質(zhì)為電介質(zhì)，稱為介電常數(shù)，是綜合反映

39、電介質(zhì)極化行為的一個主要的宏觀物理量。0為真空的介電常數(shù)。納米復(fù)合硅橡膠材料的相對介電常數(shù)要比未添加納米粒子材料的相對介電常數(shù)高。分散性越好的納米復(fù)合硅橡膠材料，其相對介電常數(shù)越低且接近于未添加納米氧化鋁粒子的介電常數(shù)。這些結(jié)果表明：帶有微小結(jié)塊的納米復(fù)合硅橡膠材料的相對介電常數(shù)高于未添加納米粒子材料的介電常數(shù)，通過分散微小結(jié)塊可使其介電常數(shù)下降。一方面，納米復(fù)合硅橡膠材料比未添加納米材料的介電常數(shù)更高，主要歸因于金屬氧化物的介電常數(shù)高，添加比未添加納米氧化鋁的硅橡膠材料的介電常數(shù)高也就是比在納米粒子交界面和存在水分的凝聚物的介電常數(shù)高；另一方面，納米復(fù)合硅橡膠較低的介電常數(shù)將主要歸因于高分子

40、鏈的運動約束在納米粒子和聚合物之間的特定交界域或是較大均勻分散粒子的界面域。粒子分散性能有效地影響納米復(fù)合材料的相對介電常數(shù)，分散性越好，納米復(fù)合硅橡膠的介電常數(shù)越低，且隨著分散納米粒子的分散性越好，可能使納米復(fù)合硅橡膠材料比未添加納米粒子材料的相對介電常數(shù)要低。在相同分散性的情況下，納米復(fù)合硅橡膠材料隨著納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，相對介電常數(shù)增大。納米復(fù)合硅橡膠材料的介質(zhì)損耗因數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)表征介質(zhì)損耗的數(shù)據(jù)，即介質(zhì)損耗正切，是絕緣品質(zhì)的重要指標(biāo)。介質(zhì)損耗因數(shù)表示為。式中，r（）為介電常數(shù)的實部，r（）為介電常數(shù)的虛部，C0為幾何電容,C()是復(fù)電容實部，代表電介質(zhì)材料在施加電壓作用下無損耗的

41、容性部分；C()是復(fù)電容虛部，代表電介質(zhì)材料損耗的部分。在頻率較低的情況下，納米復(fù)合硅橡膠隨著納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，介質(zhì)損耗因數(shù)越來越低，但在頻率較高情況下，納米復(fù)合硅橡膠的介質(zhì)損耗因數(shù)不隨納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而改變。分析表明，在低頻范圍內(nèi)，隨著納米氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，空間電荷極化變得困難，而使C減小，從而使tan相對降低；在高頻范圍內(nèi)，由于頻率較高，松弛極化跟不上頻率的變化，空間電荷極化基本無法建立，而電子位移極化和離子位移極化完成所需時間較短，在測量頻率范圍內(nèi)能充分完成，即使納米氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，C基本趨于穩(wěn)定，從而使tan幾乎不變。納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷空間電荷會使

42、絕緣材料中的內(nèi)部電場畸變,從而改變材料的高場強電導(dǎo)特性和擊穿特性。為深入了解空間電荷對絕緣材料介電行為的影響,空間電荷測量裝置在近幾年得到迅速發(fā)展。根據(jù)其測試原理的不同,可將目前的無損測試方法分為3類：（1)熱擴散法，它是將一熱脈沖施加于試樣的某個表面上,再利用對面電極測量熱能在試樣中擴散所引起的電信號。根據(jù)熱脈沖產(chǎn)生方式的不同分為激光強度調(diào)制法和熱階躍法。（2)壓力波法,其原理是彈性機械波通過絕緣材料時會使材料中的電荷連續(xù)移動,通過測量彈性波引起的電位變化可獲得空間電荷在材料中的分布。根據(jù)彈性波產(chǎn)生原理的不同分為激光壓力波法(LIPP)和壓電脈沖法(PIPP)等。（3)電聲脈沖法(PEA),

43、此法于1987年提出,其原理是窄電脈沖通過電極施加于試樣的表面上時,試樣中的分布電荷在電脈沖作用下產(chǎn)生擾動及其相應(yīng)的聲波信號,利用傳感器測量通過試樣的聲波便可獲取材料中空間電荷的行為。本文應(yīng)用電聲脈沖法測量空間電荷。電聲脈沖法測量空間電荷的原理為簡化理論分析,在解釋PEA測量空間電荷的原理前作4點假設(shè)：1)空間電荷在試樣中以一維(即沿試樣厚度方向)分布；2)每層空間電荷產(chǎn)生的聲脈沖波的形狀與所施加的電脈沖相同,其幅值與區(qū)域內(nèi)的電荷量成正比；3)每一頻率的聲波分量以相同的聲速通過試樣,且其幅值不衰減；4)多個聲波相互作用時線性疊加原理成立。空間電荷信號隨脈沖幅值增加而增加。此外,隨著電脈沖寬度增

44、加,其測試靈敏度增加,而其空間分辨率則降低。故利用電聲脈沖法制作空間電荷測量裝置時,在傳感器、傳輸參數(shù)和前置放大器一定的條件下,要選擇合適的電脈沖寬度,以確保整個測量裝置既有高的靈敏度,又有較高的空間分辨率,從而得到良好的測試結(jié)果?？臻g電荷特性隨著納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而呈現(xiàn)變化歸因于納米界面效應(yīng)導(dǎo)致的陷阱能級分裂，淺陷阱密度增大,從而使得硅橡膠中空間電荷積聚量增加，消散更為迅速。加壓過程中，空間電荷積聚隨極化時間變化不大，但有展寬趨勢；撤壓1min時，試品中空間電荷的消散約達(dá)到40%，撤壓10min時，空間電荷的消散約達(dá)70%?？臻g電荷的消散一般認(rèn)為可反映其捕獲陷阱的深度，較深陷阱中的空間

45、荷，可較為持久的保留在試品內(nèi)部。納米氧化鋁的添加在硅橡膠材料中引入了淺陷阱，使得空間電荷的積聚和消散變得更為容易。隨著納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，相同外加場強下，硅橡膠試品的空間電荷積聚量增加，撤壓后消散也更為迅速。隨著納米氧化鋁質(zhì)量份數(shù)的增加，硅橡膠試品的遷移率增大，陷阱深度則隨之逐漸減小，使得空間電荷的積聚和消散變得更為容易。納米氧化鋁粒子與硅橡膠基體之間存在較為明顯的界面，界面處存在強度較高的界面電場，陷阱能級自深至淺分布，使得界面勢壘發(fā)生了有利于促進空間電荷進入硅橡膠基體的變化，隨著納米氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，這種變化更加明顯30。納米復(fù)合硅橡膠材料介電譜實驗步驟（1）用千分尺測量樣品厚度

46、，宜多次測量，取平均值。（2）將樣品夾在兩片電極中，用鑷子把其放在上下電極中，上下電極、兩片電極和樣品鍍的膜三者的圓心要重合，然后擰緊安裝螺絲。（3）設(shè)置好參數(shù)，點擊軟件中的開始，等到程序圖中出現(xiàn)結(jié)束時點擊停止，保存數(shù)據(jù)，換下一個樣品，重復(fù)（1）、（2）、（3）步驟。納米復(fù)合硅橡膠材料空間電荷實驗步驟測試硬件部分（1）試樣的放置：在下電極上涂適量的硅油，然后放置試樣，并除去試樣與下電極中心處之間的氣泡；在試樣的另一側(cè)涂適量硅油，再在試樣的中心處放置半導(dǎo)電材料，然后放上電極，并擰緊螺絲。（2）脈沖源與高壓源的調(diào)節(jié)：按照試樣的厚度，調(diào)節(jié)脈沖源的輸出為某一預(yù)估值，給定高壓直流電源一個較小的輸出電壓，

47、通過示波器上測得空間電荷波形，計算出試樣的厚度，結(jié)合所測電場，調(diào)整直流高壓電源的輸出。脈沖源輸出的幅值越大，相應(yīng)地示波器測得的信號幅值也越大，但測量時應(yīng)保證加在各試樣上的脈沖電場強度相同，即根據(jù)試樣的厚度調(diào)整脈沖的輸出。注意空間電荷測量裝置的信號輸出不能空載，在開啟其電源開關(guān)前，請仔細(xì)檢查其輸出已經(jīng)接到示波器上，示波器處于打開狀態(tài)。關(guān)閉示波器前也應(yīng)檢查空間電荷測量裝置的電源開關(guān)是否已經(jīng)關(guān)閉。二，測試程序部分（1）參考數(shù)據(jù)波形測量：第一次使用時,首先安裝示波器的驅(qū)動程序。再安裝自制光盤USBto232 Driver文件夾中的驅(qū)動程序。使用時，盡量保證脈沖源每次都使用同一個USB電腦接口，如果是不

48、相同的USB接口，則提示發(fā)現(xiàn)新硬件，選擇自動安裝驅(qū)動也可以正常使用。測量3kV/mm電場下固體介質(zhì)內(nèi)空間電荷分布。由于此電場下的空間電荷分布信號較小，宜多次測量取其平均值，程序中固定為采樣64次，然后對其進行平均。1）運行可執(zhí)行文件“空間電荷測量部分.exe”，如下圖2-1所示：圖2-1空間電荷測量2）如果脈沖源采用“手動控制”則相應(yīng)的在程序的界面選擇“脈沖手動”。選擇“當(dāng)前測量對象”為“參考波形-3kV/mm”后單擊“NEXT STEP”。如果選擇采用“計算機”控制脈沖源，則在程序運行前，從電腦的“設(shè)備管理器”的“端口”中查找脈沖源的控制端口，然后再程序框圖的“VISA資源名稱”中選擇相應(yīng)的

49、端口，選擇脈沖的控制為“脈沖程控”此時如圖2-1：選擇“當(dāng)前測量對象”為“參考波形-3kV/mm”后單擊“NEXT STEP”在彈出的對話框設(shè)置脈沖的重復(fù)頻率與幅值。在程序界面設(shè)置測量時示波器的X軸與Y軸檔位。設(shè)置外觸發(fā)的延遲時間。5）設(shè)置測量數(shù)據(jù)的保存路徑，點擊，選擇一個文件夾，然后在彈出的對話框中點擊完成設(shè)置。單擊“測量設(shè)定完畢”完成示波器的設(shè)置，此步約需11分鐘，測量結(jié)果將以txt文件的格式自動保存在步驟5)所設(shè)置的文件夾內(nèi)。測量結(jié)束后，有反復(fù)播放提示音提醒測試已經(jīng)完成。測量結(jié)束請單擊。（2）目標(biāo)電場下波形測量1）單擊運行程序，然后選擇“當(dāng)前測量對象”為“測量波形”后單擊“NEXT ST

50、EP”；在程序界面設(shè)置測量時示波器的X軸與Y軸檔位；外觸發(fā)的延遲時間應(yīng)與“1.參考數(shù)據(jù)波形測量”中所設(shè)定的值相同。（因此不用重新設(shè)置）由“電場”控件設(shè)置所測量的電場的數(shù)據(jù)文件名稱，由“測量時間”控件設(shè)定此電場下的測量時間。單擊“測量設(shè)定完畢”完成示波器的設(shè)置，此時測量開始，測量結(jié)果將以txt文件的格式自動保存。（3）短路時波形測量1）單擊運行程序，然后選擇“當(dāng)前測量對象”為“短路”，然后單擊“NEXT STEP”。在程序界面設(shè)置測量時示波器的X軸與Y軸檔位；外觸發(fā)的延遲時間應(yīng)與“1.參考數(shù)據(jù)波形測量”中所設(shè)定的值相同。由“測量時間”控件設(shè)定短路的測量時間。單擊“測量設(shè)定完畢”完成示波器的設(shè)置，

51、此時測量開始，測量結(jié)果將以txt文件的格式自動保存。6）測量結(jié)束會有提示音響起請單擊結(jié)束測量。納米復(fù)合硅橡膠材料實驗結(jié)果介電常數(shù)的實驗結(jié)果圖3-1中，橫坐標(biāo)為頻率，單位為Hz；縱坐標(biāo)為介電常數(shù)，無量綱；pure代表未添加納米氧化鋁粒子的硅橡膠材料，1%、2%、3%、4%分別代表納米復(fù)合硅橡膠材料中納米氧化鋁粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖3-1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米氧化鋁復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)如圖3-1所示，可得出結(jié)論：（1）納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)比未添加納米粒子材料的介電常數(shù)高。分析表明，金屬氧化物的介電常數(shù)高，從而使添加比未添加納米氧化鋁的硅橡膠材料的介電常數(shù)高。（2）分散性相同情況下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2

52、%和3%的納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，由于分散性不同，相對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、3%的納米復(fù)合硅橡膠，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和4%的納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)不隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，分析納米復(fù)合硅橡膠材料的相對介電常數(shù)要比未添加納米氧化鋁粒子材料的相對介電常數(shù)高，且納米氧化鋁粒子分散性越好，納米復(fù)合硅橡膠材料的相對介電常數(shù)變低且接近于未添加納米氧化鋁粒子的相對介電常數(shù)。帶有微小結(jié)塊的納米復(fù)合硅橡膠材料的相對介電常數(shù)高于未添加納米粒子材料的介電常數(shù)，通過分散微小結(jié)塊可使其介電常數(shù)下降。由此說明1%的納米復(fù)合硅橡膠材料分散性次于2%、3%的，而4%的納米復(fù)合硅橡膠材料分散性高于

53、2%、3%的。該結(jié)果表明在制備納米復(fù)合硅橡膠材料時，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米粒子分散性不相同。（3）在1-10Hz范圍內(nèi)，介電常數(shù)隨頻率的增加而減??；在大于10Hz后，介電常數(shù)基本無變化。分析在低頻下各種極化均能跟上電場的變化，隨著頻率的增加，空間電荷極化減弱，從而使介電常數(shù)減??；在高頻下，電子位移極化和離子位移極化完成所需時間較短，在測量頻率范圍內(nèi)能充分完成，而空間電荷極化基本無法建立，因此納米復(fù)合硅橡膠材料的相對介電常數(shù)基本不變。介電損耗因數(shù)的實驗結(jié)果圖3-2中，橫坐標(biāo)為頻率，單位為Hz；縱坐標(biāo)為介質(zhì)損耗因數(shù)，無量綱；pure代表未添加納米氧化鋁粒子的硅橡膠材料，1%、2%、3%、4%分別代表納

54、米復(fù)合硅橡膠材料中納米氧化鋁粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖3-2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米氧化鋁復(fù)合硅橡膠材料的介質(zhì)損耗因數(shù)如圖3-2所示，可得出結(jié)論：（1）在頻率較低的情況下，隨著納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米復(fù)合硅橡膠材料介質(zhì)損耗因數(shù)越來越低。分析表明，在1-10Hz范圍內(nèi)，隨著納米氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，極化變得困難，而使C減小，從而使tan降低。（2）在頻率較高情況下，隨納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米復(fù)合硅橡膠材料的介質(zhì)損耗因數(shù)幾乎不改變。分析表明，在大于10Hz后，隨著納米氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，由于頻率較高，對極化幾乎無影響，C幾乎不變，從而使tan幾乎不變。空間電荷的實驗結(jié)果圖3-3 3kV下作用3

55、0分鐘不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷分布圖3-3中，橫坐標(biāo)為納米復(fù)合硅橡膠材料的厚度，單位為微米；縱坐標(biāo)為空間電荷密度，單位為庫侖每立方米；pure代表未添加納米氧化鋁粒子的硅橡膠材料，2%、3%、4%分別代表納米復(fù)合硅橡膠材料中納米氧化鋁粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。未添加納米氧化鋁粒子的硅橡膠材料的厚度為260m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、3%、4%的納米復(fù)合硅橡膠材料的厚度分別為258m、176m、216m。樣品厚度不同，在空間電荷建立時，隨著納米復(fù)合硅橡膠材料厚度的增加，陽極空間電荷相對減少，且變化不大，對陰極空間電荷無影響；隨著納米復(fù)合硅橡膠材料厚度的增加，對空間電荷消散特性無影響。所以納米復(fù)合

56、硅橡膠材料的厚度對空間電荷影響較小，可忽略。如圖3-3所示，可得出結(jié)論：（1）在相同電壓下，作用相同時間，隨著納米氧化鋁粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷增多。（2）在相同電壓下，作用相同時間，添加納米氧化鋁粒子的復(fù)合硅橡膠材料比未添加納米氧化鋁粒子的硅橡膠材料聚集的空間電荷多。圖3-4中，橫坐標(biāo)為納米復(fù)合硅橡膠材料的厚度，單位為m；縱坐標(biāo)為空間電荷密度，單位為庫侖每立方米；5kV、10kV、15kV分別代表空間電荷建立過程施加的電壓。圖3-4 4%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米復(fù)合硅橡膠材料在不同電壓作用30分鐘下的空間電荷分布如圖3-4所示，可得出結(jié)論:（1)相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米復(fù)合硅橡膠材料

57、，不同電壓下作用相同時間，隨著電壓的增加，空間電荷增多。（2)相同條件下，陽極附近的空間電荷比陰極附近的空間電荷多。圖3-5中，橫坐標(biāo)為納米復(fù)合硅橡膠材料的厚度，單位為m；縱坐標(biāo)為空間電荷密度，單位為庫侖每立方米；30s、600s、1200s、1800s分別代表質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的納米復(fù)合硅橡膠材料空間電荷的消散時間。該材料的厚度為216m。圖3-5 4%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷消散過程如圖3-5所示，可得出結(jié)論：（1）在去壓30秒后電荷迅速減少，600秒后空間電荷消散80%，在此之后電荷逐漸減少，最后趨近于零。圖3-6中，橫坐標(biāo)為納米復(fù)合硅橡膠材料的厚度，單位為m；縱坐標(biāo)為空間電荷

58、，單位為庫侖每立方米。pure、2%、3%、4%分別代表納米復(fù)合硅橡膠材料中納米氧化鋁粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。未添加納米氧化鋁粒子的硅橡膠材料的厚度為260m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、3%、4%的納米復(fù)合硅橡膠材料的厚度分別為258m、176m、216m。如圖3-6所示，可得出結(jié)論：（1）相同條件下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷不同，且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，空間電荷增多。與圖3-3相比，15kV作用下的空間電荷明顯比3kV作用下的空間電荷多。圖3-6 15kV下作用30分鐘不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷分布結(jié)論納米氧化鋁粒子對硅橡膠材料性能的影響，從實驗結(jié)果可以看出：（1）納米氧化鋁粒

59、子加入到硅橡膠材料中，能使納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)增加，但是納米粒子的含量、分散性對納米復(fù)合硅橡膠材料的介電常數(shù)也有一定的影響。（2）納米氧化鋁粒子加入到硅橡膠材料中，在低頻情況下，能使納米復(fù)合硅橡膠材料的介質(zhì)損耗因數(shù)減小，但在高頻情況下，對納米復(fù)合硅橡膠材料的介質(zhì)損耗因數(shù)影響較小，幾乎無影響；分析表明，在1-10Hz范圍內(nèi)，隨著納米氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，極化變得困難，而使C減小，從而使tan降低；在大于10Hz后，隨著納米氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，由于頻率較高，對極化幾乎無影響，C幾乎不變，從而使tan幾乎不變。（3）納米氧化鋁粒子加入到硅橡膠材料中，在相同電壓下，作用相同時間，添加納米

60、氧化鋁粒子的復(fù)合硅橡膠材料比未添加納米氧化鋁粒子的硅橡膠材料聚集的空間電荷多，隨著納米氧化鋁粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米復(fù)合硅橡膠材料的空間電荷增多；相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米復(fù)合硅橡膠材料，不同電壓下作用相同時間，隨著電壓的增加，空間電荷增多；同一電壓作用相同時間，陽極附近的空間電荷比陰極附近的空間電荷多；空間電荷消散過程中，在去壓30秒后電荷迅速減少，600秒后空間電荷消散80%，在此之后電荷逐漸減少，最后趨近于零。致謝本學(xué)位論文是在我的指導(dǎo)老師張沛紅老師的親切關(guān)懷與細(xì)心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到論文的最終完成，張沛紅老師始終都給予了細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導(dǎo)師張沛