納米材料改性絕緣層的耐電暈性能研究
研究表明，電暈放電產(chǎn)生的高能粒子、熱效應(yīng)等會對有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)造成破壞并促使聚酰亞胺等絕緣材料降解，這是變頻電機(jī)絕緣失效的根本原因。而納米材料改性絕緣層能夠顯著提高材料的耐電暈性能，以下是對其研究的詳細(xì)歸納：
一、納米材料改性絕緣層的優(yōu)勢
特殊電氣性能：將納米粒子作為填充物添加到聚合物中，會給絕緣材料帶來高介電常數(shù)、低損耗、耐電暈等特殊電氣性能。
界面效應(yīng)：在納米電介質(zhì)領(lǐng)域，界面是影響材料絕緣性能的關(guān)鍵。納米粒子因其較大的比表能，會在絕緣材料中出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，降低納米效應(yīng)。而對納米粒子進(jìn)行表面改性可以提高其與基體的相容性，減少團(tuán)聚，增加納米粒子和聚合物基體間的界面區(qū)域，從而提高耐電暈性能。
二、納米材料改性絕緣層的方法
化學(xué)改性：對納米粒子表面進(jìn)行化學(xué)改性，提高其與基體的相容性。但該方法對納米電介質(zhì)電氣性能的提高有限，且國內(nèi)外學(xué)者仍在探索進(jìn)一步提高絕緣材料性能的方法。
低溫等離子體技術(shù)：近年來，低溫等離子體技術(shù)在聚合物材料表面改性上已有廣泛的應(yīng)用。等離子體處理納米粒子僅改變其表面性能，對其本身性能沒有影響，處理過程簡單，不需要化學(xué)溶劑，且處理效果較好。在等離子體作用下，納米粒子表面會產(chǎn)生大量活性基團(tuán)，與硅烷偶聯(lián)劑水解后產(chǎn)生的硅醇鍵反應(yīng)形成氫鍵，從而提高納米粒子和硅烷偶聯(lián)劑的偶聯(lián)效果，改善納米粒子在絕緣層中的分散特性，增加界面區(qū)域，提高耐電暈性能。
三、納米材料改性絕緣層的耐電暈機(jī)理
多核模型：日本早稻田大學(xué)的Tanaka T等基于化學(xué)、電學(xué)和形態(tài)學(xué)理論，提出了多核模型，用于解釋納米層狀材料在提高聚合物耐電暈性能方面所起的作用。他們認(rèn)為，復(fù)合材料表面的電暈腐蝕深度是純聚合物的五分之一，耐電暈性能的提高與層狀硅酸鹽的高耐局部放電性有密切關(guān)系。
界面阻擋效應(yīng)：當(dāng)局部放電作用于復(fù)合材料表面時(shí)，表層的聚合物首先遭到破壞而分解。之后，由于外層聚合物的耐電暈性能較弱而被破壞，當(dāng)局部放電遇到中間層或內(nèi)層時(shí)，由于其較強(qiáng)的耐電暈性能，破壞通道將沿著中間層與聚合物的界面繼續(xù)生長，形成之字形路徑，從而延長耐電暈壽命。
電荷消散機(jī)制：納米粒子經(jīng)過等離子體處理后，大大增加了復(fù)合薄膜中的界面區(qū)域，使得界面區(qū)域介電雙層結(jié)構(gòu)發(fā)生重疊，提高了薄膜的電導(dǎo)率，并在薄膜內(nèi)部沿著重疊區(qū)域形成了導(dǎo)電通道，促進(jìn)了薄膜內(nèi)部電荷的消散，改善了薄膜內(nèi)部電場，從而提高了薄膜的耐電暈壽命。
四、研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
研究現(xiàn)狀：目前，對聚酰亞胺納米復(fù)合薄膜的研究主要是針對納米粒子對PI薄膜性能的影響，但缺乏通過對納米粒子改性來改善PI納米薄膜絕緣性能的研究。然而，已有研究表明，利用等離子體對納米粒子表面改性是一種提高PI納米復(fù)合材料絕緣性能的有效方法。
挑戰(zhàn)：在無機(jī)納米材料改性聚合物的耐電暈機(jī)理方面，不同的學(xué)者從某一角度對納米粒子在提高聚合物的耐電暈性能方面提出了不同觀點(diǎn)，仍然缺乏一致的認(rèn)識。此外，在耐電暈材料的制備方法上，一般采用共混法向傳統(tǒng)的耐高溫聚合物中填充一定量無機(jī)納米粒子，但由于納米粒子具有高表面能和強(qiáng)極性表面，多數(shù)情況下是以團(tuán)聚體的形式存在于聚合物中，難以達(dá)到納米化分散狀態(tài)，造成產(chǎn)品耐電暈性能差、分散性大。
五、未來發(fā)展方向
深入研究機(jī)理：繼續(xù)加強(qiáng)對聚酰亞胺薄膜耐電暈機(jī)理的探索，探明界面效應(yīng)及陷阱特性對耐電暈性能的作用機(jī)理。
優(yōu)化制備方法：研究新的制備方法，如原位聚合法等，實(shí)現(xiàn)納米粒子在聚合物中的均勻分散，提高耐電暈性能。
建立標(biāo)準(zhǔn)體系：盡快建立耐電暈材料的國家標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程。
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