低密度聚乙烯空間電荷界面注入與體輸運(yùn)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、聚乙烯等高聚物材料以其優(yōu)異的電氣性能在高壓絕緣領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在交流或直流電場(chǎng)作用下,聚乙烯材料中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的空間電荷積累。這些空間電荷會(huì)誘發(fā)各種空間電荷效應(yīng),嚴(yán)重影響聚乙烯材料的絕緣性能和老化過(guò)程,很大程度上限制了聚乙烯材料的應(yīng)用范圍。因此聚乙烯中的空間電荷問(wèn)題已成為高壓絕緣領(lǐng)域的前沿研究課題。近年來(lái),國(guó)際上已發(fā)展出多種先進(jìn)方法來(lái)直接測(cè)量聚合物在電場(chǎng)作用下的空間電荷分布信息,也有學(xué)者利用空間電荷注入,遷移及釋放過(guò)程中的光,電,熱等信

2、息來(lái)分析空間電荷特性。然而,由于聚乙烯半結(jié)晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),影響其微觀結(jié)構(gòu)及陷阱特性的因素眾多,因此常導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的空間電荷分布數(shù)據(jù)分散性較大,難以從理論上對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的解釋。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果,以低密度聚乙烯材料為研究對(duì)象。探討了影響空間電荷輸運(yùn)特性的關(guān)鍵因素,在此基礎(chǔ)上建立數(shù)值模型對(duì)不同的空間電荷輸運(yùn)行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了仿真模擬研究,并利用飛行時(shí)間法對(duì)表征聚乙烯材料中空間電荷運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)--載流子遷移率進(jìn)行了測(cè)量。

3、r>　　 本文首先詳細(xì)討論了聚合物中空間電荷輸運(yùn)模型的建立方法,通過(guò)將電荷的傳導(dǎo)過(guò)程抽象為注入,遷移,捕獲等基本物理過(guò)程,并分別利用場(chǎng)限制空間電荷理論來(lái)描述空間電荷的注入過(guò)程,采用有效遷移率來(lái)描述載流子在聚合物中的遷移過(guò)程,使用能帶模型來(lái)描述載流子陷阱的入陷脫陷及復(fù)合過(guò)程等方法來(lái)建立一個(gè)描述空間電荷在聚乙烯中輸運(yùn)行為的數(shù)值仿真模型,并就該模型在計(jì)算機(jī)上的算法實(shí)現(xiàn)做了簡(jiǎn)單介紹。
　　 基于壓力波及電聲脈沖等方法測(cè)量得到的空間電荷

4、分布信號(hào)表征的是樣品內(nèi)部的凈電荷分布,由于不同產(chǎn)生機(jī)制及不同極性的空間電荷分布信號(hào)會(huì)互相疊加,因此難以反映出空間電荷來(lái)源及電荷的真實(shí)輸運(yùn)情況。本文通過(guò)在低密度聚乙烯樣品上添加聚偏氟乙烯(PVF)薄膜作為阻擋層的方法,使用激光壓力波法作為測(cè)量手段,對(duì)電極注入電荷與體內(nèi)雜質(zhì)解離電荷進(jìn)行區(qū)分,研究了不同型號(hào)低密度聚乙烯材料中的空間電荷來(lái)源問(wèn)題；通過(guò)單極性阻擋的方式分別研究了注入電子與注入空穴在經(jīng)不同熱處理工藝后的低密度聚乙烯樣品中的遷移情況,

5、發(fā)現(xiàn)熱處理過(guò)程對(duì)電荷的輸運(yùn)會(huì)產(chǎn)生較大影響:冷卻速率慢的樣品中空間電荷難以形成較大積累,注入電荷能夠快速遷移過(guò)整個(gè)樣品,而冷卻速率快的樣品易產(chǎn)生較多的電荷積累,注入電荷在遷移到樣品中部時(shí)便幾乎不再移動(dòng),造成差異的因?yàn)槌醪脚袛嗍请姾蓮碾姌O注入存在閾值電場(chǎng)以及不同熱處理過(guò)程造成的樣品體內(nèi)陷阱能級(jí)深度的變化所致,通過(guò)改變數(shù)值模型的陷阱能級(jí)深度參數(shù)對(duì)單極性注入電荷遷移的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了仿真,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好,并發(fā)現(xiàn)陷阱能級(jí)深度與電荷的閾值

6、性注入是影響空間電荷分布的重要因素。
　　 聚乙烯中的空間電荷包行為是空間電荷的一種特殊的輸運(yùn)行為。研究結(jié)果表明,空間電荷包行為由于受材料本身特性,外加電場(chǎng)大小以及環(huán)境溫度等的影響,導(dǎo)致其產(chǎn)生過(guò)程及傳輸特性上存在較大差異。這些因素的復(fù)雜性給空間電荷包行為產(chǎn)生的機(jī)理研究帶來(lái)了較大困難。本文借鑒產(chǎn)生半導(dǎo)體中耿氏效應(yīng)的負(fù)微分遷移率機(jī)制來(lái)描述電荷包的形成機(jī)理,并結(jié)合載流子的注入條件及體內(nèi)陷阱對(duì)電荷包行為的影響等因素,探討了不同外加電場(chǎng)及

7、不同深度陷阱能級(jí)對(duì)電荷包遷移行為的影響；通過(guò)在已建立的電荷輸運(yùn)模型上引入電場(chǎng)對(duì)有效遷移率的作用,提出在高于閾值電場(chǎng)時(shí),載流子遷移速率和電場(chǎng)關(guān)系存在負(fù)微分遷移率的假設(shè),對(duì)文獻(xiàn)中報(bào)道的兩類(lèi)外加場(chǎng)強(qiáng)不同且遷移趨勢(shì)各異的空間電荷包行為進(jìn)行了模擬仿真,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得較好的一致,模擬結(jié)果表明,聚乙烯材料在高場(chǎng)下可能產(chǎn)生的負(fù)微分遷移率是產(chǎn)生空間電荷包行為的主要因?yàn)?其與材料電極注入情況及體內(nèi)陷阱態(tài)的共同作用導(dǎo)致了空間電荷包行為遷移的多樣性。<

8、br>　　 載流子遷移率作為反映載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)能力的物理量,是描述聚合物材料中電荷運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)。由于聚合物材料中的載流子遷移率較低,對(duì)其測(cè)量有很大難度。本文通過(guò)使用紫外激光在聚乙烯薄膜表面薄層內(nèi)激發(fā)出載流子,測(cè)量載流子在外置偏壓作用下遷移到背電極產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號(hào)來(lái)確定載流子的遷移時(shí)間來(lái)確定載流子遷移率的飛行時(shí)間法來(lái)測(cè)量聚乙烯薄膜樣品中的載流子遷移率。通過(guò)利用自行搭建的飛行時(shí)間法測(cè)量系統(tǒng),對(duì)鍍金電極的純聚乙烯薄膜樣品以及以

9、硅和硒作為載流子產(chǎn)生層的聚乙烯薄膜樣品中的載流子遷移率進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙面鍍金電極的聚乙烯薄膜在較高場(chǎng)強(qiáng)下存在著同極性電荷注入,入射光子可同時(shí)在薄膜光照表面與背電極處同時(shí)激發(fā)出載流子,實(shí)際測(cè)量信號(hào)是這兩種載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流信號(hào)的疊加。單面鍍金電極的聚乙烯薄膜樣品可以消除背電極在光刺激下注入的載流子信號(hào)影響,但受聚乙烯材料中陷阱的影響,光激發(fā)載流子無(wú)法穿越整個(gè)樣品到達(dá)背電極,導(dǎo)致測(cè)得遷移率偏大。使用硅和硒作為載流子產(chǎn)生層的