無機納米-聚酰亞胺復(fù)合薄膜介電性及耐電暈老化機理研究.pdf

1、納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為新材料的開發(fā)和對現(xiàn)有材料的改性提供了新的思路和途徑，納米介質(zhì)的出現(xiàn)，開辟了電介質(zhì)新的應(yīng)用領(lǐng)域。與傳統(tǒng)介質(zhì)比較，納米復(fù)合介質(zhì)的電、熱、機械性能有了很大的改善。隨著電力電子技術(shù)及新型半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，八十年代以后，越來越多的交流變頻調(diào)速電動機得到了廣泛應(yīng)用。由于局部放電等原因，許多變頻電機的壽命只有1-2年，甚至有些電機在試運行階段就發(fā)生擊穿破壞。美國Dupont公司與ABB、西門子公司合作，于1995年研制出耐電暈

2、聚酰亞胺薄膜，其耐電暈時間在20kV/mm場強下可達(dá)10<'5>小時，接近云母紙水平，但是沒有見到從電介質(zhì)理論的角度對其耐電暈機理進(jìn)行深入研究的報道。 本文借助掃描電鏡和原子力顯微鏡分析了Dupont耐電暈聚酰亞胺薄膜的結(jié)構(gòu)，比較了電暈老化后原始和耐電暈聚酰亞胺薄膜的表面形貌，得出Dupont耐電暈聚酰亞胺薄膜是三層結(jié)構(gòu)，上下兩個表層中含有較多的A1-無機化合物，是無機．有機復(fù)合結(jié)構(gòu)。耐電暈聚酰亞胺薄膜之所以耐電暈，可能是因為集

3、中在表面層的無機物質(zhì)的高的熱導(dǎo)率可以消散電暈產(chǎn)生的熱量，減小了熱擊穿的危險，同時由于電暈放電作用在無機物上，而無機材料具有更好的耐電暈性和更高的耐受電暈產(chǎn)物腐蝕的能力。耐電暈聚酰亞胺薄膜中的無機相電暈老化后呈現(xiàn)更濃密的絮狀團簇，無機一有機相界面間有很好的浸潤性，而原始薄膜沒有這一現(xiàn)象。 研究了Dupont原始及耐電暈聚酰亞胺薄膜的介電譜特性、電導(dǎo)電流特性、退極化電流特性和熱激電流特性，得出耐電暈薄膜的電老化閾值高于原始薄膜，且均

4、隨電暈老化場強的增加而下降。原始和耐電暈薄膜的載流子視在遷移率的變化范圍分別為1.1×10<'-13>m<'2>/Vs-7.5×10<'-14>m<'2>/Vs和1.2×10<'-13>m<'2>/Vs-3.0×10<'-14>m<'2>/Vs，相應(yīng)的陷阱深度變化范圍分別為1.185eV-1.200eV和1.168eV-1.220eV。根據(jù)電導(dǎo)電流的溫度特性得出，耐電暈薄膜的載流子活化能為0.76eV，原始薄膜為0.93eV。兩種薄膜的

5、熱激電流峰值隨極化場強增加而增加，原始薄膜的峰溫基本不變，耐電暈薄膜略向高溫移動。對熱激電流曲線分峰處理，得出兩種薄膜的活化能分別為0.65-0.91eV和0.60-0.90 eV。耐電暈薄膜中的淺陷阱，可能是薄膜耐電暈性提高的重要原因。 研究了溶膠-凝膠法合成的含量分別為5wt[％]，10wt[％]，12.5wt[％]，15wt[％]和20wt[％]的納米Al<,2>O<,3>復(fù)合聚酰亞胺薄膜的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切與頻率

6、、溫度的關(guān)系，復(fù)合薄膜電導(dǎo)電流特性、直流電導(dǎo)率、擊穿特性、耐電暈性、熱激電流特性，得出納米Al<,2>O<,3>復(fù)合聚酰亞胺薄膜的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切隨無機物含量的增加而增加，在重量比12.5％和15％之間有一個逾滲閾值存在。隨無機物含量增加，電老化閾值和擊穿場強下降，電導(dǎo)率增加。不同無機物含量薄膜的活化能范圍為0.58 eV至0.91eV。隨納米填充物含量的增加陷阱深度增加。復(fù)合薄膜電暈老化后表面原子力形貌出現(xiàn)更稠密的絮狀團簇。

7、 研究了利用溶膠．凝膠法合成的SiO<,2>含量分別為5wt％，10wt％，15wt％，20wt％，25wt％和30wt％的納米SiO<,2>復(fù)合聚酰亞胺薄膜的介電性，以及同時加入納米SiO<,2>和Al<,2>O<,3>兩種無機物質(zhì)的復(fù)合聚酰亞胺薄膜的擊穿和耐電暈性，SiO<,2>和Al<,2>O<,3>的總含量分別為4wt％、6wt％和8wt％，同一含量中SiO<,2>和Al<,2>O<,3>的比例分別為1:1、2:1、4:1和

8、6:1。隨著頻率增加，不同SiO<,2>含量復(fù)合薄膜的介電常數(shù)減小，介質(zhì)損耗增加；隨SiO<,2>含量的增加，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗增加，電導(dǎo)電流增加，電老化閾值減小。電暈老化后復(fù)合薄膜的熱激電流峰電流減小，峰位向低溫區(qū)移動。復(fù)合薄膜的耐電暈時間增加，擊穿場強在12.5wt％含量時達(dá)到最大值。當(dāng)SiO<,2>和Al<,2>O<,3>含量比為1:1時，復(fù)合薄膜的擊穿場強隨無機物總含量的增加而增加。無機物總含量6％、SiO<,2>和Al<,2>