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【摘要】为研究无机纳米掺杂对聚乙烯电性能的影响，本文采用熔融共混法制备了不同掺杂量的LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物，并通过对击穿场强研究其不同掺杂量对纳米復合物的影响。实验发现，经过纳米掺杂后，当纳米颗粒掺杂含量为0.5wt%时，LDPE的交流击穿场强最大值达到98kv/mm左右，提高为原来的1.09倍。当掺杂含量增加为7wt%时，LDPE击穿场强最小值为72kv/mm左右，降低为原来的0.2倍；研究表明，少量的纳米ZnO+Al2O3掺杂能够提高LDPE的交流击穿场强。
【关键词】聚乙烯；电性能；击穿场强
1.引言
聚合物基纳米复合电介质是无机填料以纳米尺度均匀分散于聚合物中而形成的复合体系，又称纳米电介质。在聚合物中加入无机纳米颗粒可能会引起其电、热、机械等性能的大幅度提高。因而，自从1994年T.J. Lewis提出纳米电介质的概念并作为电介质未来的研究方向之后，聚合物基无机纳米复合电介质开始受到工程界和学术界的广泛关注，成为电介质领域研究的热点，并被公认为是下一代绝缘电介质[1]。
目前研究多以单种纳米颗粒掺杂为主，对两种不同性质的纳米颗粒混合掺杂研究较少。由于ZnO纳米颗粒掺杂除产生巨大的界面效应外，其本身的非线性电阻效应和半导电特性，可能对聚合物的电性能有重要影响；而Al2O3纳米颗粒粒径尺寸小，比表面积大，表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基，绝缘性能好[2]。因此本文采用ZnO和Al2O3两种纳米颗粒和聚乙烯混合掺杂，通过对击穿场强实验，希望能为研究和分析纳米掺杂对聚合物影响机理提供一定的依据。
2.实验材料与方法
2.1 LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物制备
实验材料：大庆石化产LDPE，型号为18D；自制ZnO纳米颗粒，粒径为50nm左右，经KH550表面处理；北京纳辰提供的Al2O3纳米颗粒，粒径为13nm，经KH550表面处理。
取一定量的ZnO和Al2O3纳米颗粒，按一定的比例将其和LDPE均匀混合，加入到转矩流变仪中，在150℃下混炼30分钟将纳米复合物混合均匀。最后在120℃的平板硫化机上，压力为10MPa下热压成厚度为0.1～0.2mm、直径为10cm的LDPE和不同掺杂含量的LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物的圆形薄片，压制时间为15min。将压制的薄片在70℃下热处理12h，以消除试样压制过程中压力和冷却速度不同对结晶形态的影响。
2.2 实验装置和方法
2.2.1电击穿场强测试
交流击穿场强测试采用CS2674C型耐压测试仪及标准电极系统。其电压测试范围可在0-50kv变化，误差范围±5%；漏电流测试范围为0.5-20mA，误差范围±5%。本实验采用绝缘强度相对较高的苯甲基硅油（其绝缘强度可高达16kV/mm）作为实验媒质，升压速率为500V/s。样品厚度为0.1～0.15mm，每种组分击穿电压测试均选用20个样品，取其中间的10个击穿电压平均值为该组分击穿电压，并计算标准偏差。
3.实验结果与讨论
3.1 LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物的击穿场强
图1是LDPE及其ZnO+Al2O3纳米复合物的交流击穿场强。从图中看出：LDPE及其ZnO+Al2O3纳米复合物的交流击穿场强呈现先增减后减小的趋势，在纳米颗粒掺杂含量为0.5wt%时，LDPE的交流击穿场强最大值达到98kv/mm左右（LDPE的击穿场强为90kv/mm），提高为原来的1.09倍。当掺杂含量增加为7wt%时，LDPE击穿场强值出现最小，其值为72kv/mm左右，降低为原来的0.2倍。如前所述，纳米复合物中纳米颗粒与聚乙烯基体间的界面区域在高场强下具有一定的导电性，同时，界面形成的陷阱也对载流子输运具有散射作用。界面区的电导和陷阱散射对载流子在高场下积累能量起着相反的作用。掺杂量少时，界面区域较小，其对聚合物的高场电导影响较小，故对载流子的散射降低其能量起主导作用；而当掺杂量较大时，界面区域增大，其对聚合物的电导影响也增大，此时其电导效应可能大于对载流子的散射效应。因而少量纳米掺杂后交流击穿场强稍有提高，而大量掺杂后击穿场强随掺杂含量的增加而降低。
4.结论
本文研究了LDPE和LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物不同掺杂含量的击穿场强试验得出如下结论：
在纳米颗粒掺杂含量为0.5wt%时，LDPE的交流击穿场强最大值达到98kv/mm左右，提高为原来的1.09倍。当掺杂含量增加为7wt%时，LDPE击穿场强值最小为72kv/mm左右，降低为原来的0.2倍，一定量的纳米颗粒掺杂提高了LDPE的交流击穿场强。
参考文献
[1]Lewis T.J. Nanometric dielectrics[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1994.
[2]田付强，杨春，何丽娟等.聚合物/无机纳米复合电介质介电性能及其机理最新研究进展[J].电工技术学报， 2011，26（3）：1-12.
【关键词】聚乙烯；电性能；击穿场强
1.引言
聚合物基纳米复合电介质是无机填料以纳米尺度均匀分散于聚合物中而形成的复合体系，又称纳米电介质。在聚合物中加入无机纳米颗粒可能会引起其电、热、机械等性能的大幅度提高。因而，自从1994年T.J. Lewis提出纳米电介质的概念并作为电介质未来的研究方向之后，聚合物基无机纳米复合电介质开始受到工程界和学术界的广泛关注，成为电介质领域研究的热点，并被公认为是下一代绝缘电介质[1]。
目前研究多以单种纳米颗粒掺杂为主，对两种不同性质的纳米颗粒混合掺杂研究较少。由于ZnO纳米颗粒掺杂除产生巨大的界面效应外，其本身的非线性电阻效应和半导电特性，可能对聚合物的电性能有重要影响；而Al2O3纳米颗粒粒径尺寸小，比表面积大，表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基，绝缘性能好[2]。因此本文采用ZnO和Al2O3两种纳米颗粒和聚乙烯混合掺杂，通过对击穿场强实验，希望能为研究和分析纳米掺杂对聚合物影响机理提供一定的依据。
2.实验材料与方法
2.1 LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物制备
实验材料：大庆石化产LDPE，型号为18D；自制ZnO纳米颗粒，粒径为50nm左右，经KH550表面处理；北京纳辰提供的Al2O3纳米颗粒，粒径为13nm，经KH550表面处理。
取一定量的ZnO和Al2O3纳米颗粒，按一定的比例将其和LDPE均匀混合，加入到转矩流变仪中，在150℃下混炼30分钟将纳米复合物混合均匀。最后在120℃的平板硫化机上，压力为10MPa下热压成厚度为0.1～0.2mm、直径为10cm的LDPE和不同掺杂含量的LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物的圆形薄片，压制时间为15min。将压制的薄片在70℃下热处理12h，以消除试样压制过程中压力和冷却速度不同对结晶形态的影响。
2.2 实验装置和方法
2.2.1电击穿场强测试
交流击穿场强测试采用CS2674C型耐压测试仪及标准电极系统。其电压测试范围可在0-50kv变化，误差范围±5%；漏电流测试范围为0.5-20mA，误差范围±5%。本实验采用绝缘强度相对较高的苯甲基硅油（其绝缘强度可高达16kV/mm）作为实验媒质，升压速率为500V/s。样品厚度为0.1～0.15mm，每种组分击穿电压测试均选用20个样品，取其中间的10个击穿电压平均值为该组分击穿电压，并计算标准偏差。
3.实验结果与讨论
3.1 LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物的击穿场强
图1是LDPE及其ZnO+Al2O3纳米复合物的交流击穿场强。从图中看出：LDPE及其ZnO+Al2O3纳米复合物的交流击穿场强呈现先增减后减小的趋势，在纳米颗粒掺杂含量为0.5wt%时，LDPE的交流击穿场强最大值达到98kv/mm左右（LDPE的击穿场强为90kv/mm），提高为原来的1.09倍。当掺杂含量增加为7wt%时，LDPE击穿场强值出现最小，其值为72kv/mm左右，降低为原来的0.2倍。如前所述，纳米复合物中纳米颗粒与聚乙烯基体间的界面区域在高场强下具有一定的导电性，同时，界面形成的陷阱也对载流子输运具有散射作用。界面区的电导和陷阱散射对载流子在高场下积累能量起着相反的作用。掺杂量少时，界面区域较小，其对聚合物的高场电导影响较小，故对载流子的散射降低其能量起主导作用；而当掺杂量较大时，界面区域增大，其对聚合物的电导影响也增大，此时其电导效应可能大于对载流子的散射效应。因而少量纳米掺杂后交流击穿场强稍有提高，而大量掺杂后击穿场强随掺杂含量的增加而降低。
4.结论
本文研究了LDPE和LDPE/（ZnO+Al2O3）纳米复合物不同掺杂含量的击穿场强试验得出如下结论：
在纳米颗粒掺杂含量为0.5wt%时，LDPE的交流击穿场强最大值达到98kv/mm左右，提高为原来的1.09倍。当掺杂含量增加为7wt%时，LDPE击穿场强值最小为72kv/mm左右，降低为原来的0.2倍，一定量的纳米颗粒掺杂提高了LDPE的交流击穿场强。
参考文献
[1]Lewis T.J. Nanometric dielectrics[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 1994.
[2]田付强，杨春，何丽娟等.聚合物/无机纳米复合电介质介电性能及其机理最新研究进展[J].电工技术学报， 2011，26（3）：1-12.