典型空間聚合物介質(zhì)的抗內(nèi)帶電改性技術(shù)

王金鋒 鄭曉泉 李盛濤 白婧婧

(西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

典型空間聚合物介質(zhì)的抗內(nèi)帶電改性技術(shù)

王金鋒 鄭曉泉 李盛濤 白婧婧

(西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

消除航天器介質(zhì)內(nèi)帶電所產(chǎn)生脈沖放電威脅的最佳方式,除有效屏蔽外,就是研制不會(huì)產(chǎn)生脈沖放電的介質(zhì)材料和絕緣結(jié)構(gòu)件.通過(guò)對(duì)航天器用聚酰亞胺、環(huán)氧樹(shù)脂和聚四氟乙烯等幾種典型聚合物的改性研究發(fā)現(xiàn),采用微米級(jí)無(wú)機(jī)粉料對(duì)聚合物介質(zhì)材料進(jìn)行改性,只要添加劑的電導(dǎo)率顯著低于聚合物的電導(dǎo)率,該復(fù)合介質(zhì)材料即可產(chǎn)生顯著的非線性電阻率特性,可以實(shí)現(xiàn)在介質(zhì)內(nèi)帶電程度達(dá)到放電閾值時(shí)迅速以非脈沖電導(dǎo)電流方式釋放掉所儲(chǔ)存的危險(xiǎn)電荷,有可能達(dá)到消除脈沖放電的目標(biāo);當(dāng)該添加劑含有微量“施主”雜質(zhì)時(shí)甚至還可以提高介質(zhì)材料在正常情況下的電阻率.對(duì)復(fù)合介質(zhì)非線性電阻特性的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析.

航天器介質(zhì);改性;非線性電導(dǎo);內(nèi)帶電防護(hù)

空間介質(zhì)內(nèi)帶電極易引發(fā)嚴(yán)重影響航天器敏感電子電路運(yùn)行可靠性的多頻譜脈沖放電.放電嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致敏感電子器件或有機(jī)介質(zhì)擊穿或燒毀.我國(guó)在研究航天器內(nèi)帶電問(wèn)題上起步較晚,目前國(guó)內(nèi)的研究多集中在航天器介質(zhì)帶電規(guī)律上,針對(duì)空間介質(zhì)材料進(jìn)行改性而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)帶電防護(hù)技術(shù)研究方面在國(guó)內(nèi)、國(guó)際公開(kāi)刊物上均未檢索到相關(guān)研究報(bào)道.國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)檢索顯示,針對(duì)空間介質(zhì)內(nèi)帶電規(guī)律和帶電機(jī)理的研究也多集中在計(jì)算和仿真上[1-8],在實(shí)驗(yàn)研究方面也還處于起步階段[9-12].分析表明,除屏蔽措施外,材料的電導(dǎo)特性是確定應(yīng)用在空間環(huán)境下的介質(zhì)是否會(huì)產(chǎn)生臨界深層帶電的關(guān)鍵參數(shù).

本文采用一種微米級(jí)無(wú)機(jī)填料對(duì)航天器常用的聚酰亞胺(Polyimide)、環(huán)氧樹(shù)脂和聚四氟乙烯(Teflon)3種聚合物材料進(jìn)行改性,發(fā)現(xiàn)改性材料樣品出現(xiàn)顯著的非線性電導(dǎo)特性.而且 PI(Polyimide)復(fù)合材料在 0℃以上的常態(tài)電阻率還有所提高.表明對(duì)空間介質(zhì)材料進(jìn)行非線性電導(dǎo)改性有可能成為一種有效的抗內(nèi)帶電防護(hù)方法.

1 介質(zhì)電導(dǎo)特性與內(nèi)帶電防護(hù)分析

影響介質(zhì)帶電程度的最重要電氣參數(shù)是材料的電導(dǎo)率,較大的電導(dǎo)率有利于靜電荷的泄放.分析表明,應(yīng)用在空間環(huán)境下介質(zhì)材料的電導(dǎo)由 3項(xiàng)構(gòu)成,即體電導(dǎo)率、誘導(dǎo)電導(dǎo)率和強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)率.

式中,σ0表示介質(zhì)體電導(dǎo)率;σr表示輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率;σE表示強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)率.后 2項(xiàng)根據(jù)空間環(huán)境的變化和介質(zhì)帶電量的不同而處在不斷的變化之中.當(dāng)介質(zhì)帶電量達(dá)到擊穿前夕時(shí),第 3項(xiàng)的數(shù)值才顯著增加.介質(zhì)電導(dǎo)率由載流子遷移率 μi,載流子濃度 ni和載流子帶電量 qi三者構(gòu)成,即

如介質(zhì)材料在空間環(huán)境下的電導(dǎo)率設(shè)計(jì)合理,在發(fā)生介質(zhì)材料靜電擊穿前即會(huì)達(dá)到電荷平衡 ,即 dQ積累=dQ瀉放.為此,要求應(yīng)用在空間環(huán)境下的介質(zhì)材料有較大(遠(yuǎn)超過(guò)材料自身的本征電導(dǎo)率)的誘導(dǎo)電導(dǎo)率或強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)率.同時(shí)希望介質(zhì)出現(xiàn)強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)率時(shí)的靜電場(chǎng)強(qiáng)度 EDC恒小于材料的直流電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度,即 EDC＜EB.

主絕緣材料,體電導(dǎo)率如過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電力損耗過(guò)大和絕緣發(fā)熱,因此通過(guò)提升絕緣體電導(dǎo)率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)抗內(nèi)帶電是不可取的.考慮到在強(qiáng)輻射情況下也不希望較大功率損失,最好的方法是采用具有顯著非線性電導(dǎo)特性的絕緣材料作為抗內(nèi)帶電的絕緣材料:即只有在強(qiáng)輻射或靜電荷積累到一定程度才呈現(xiàn)出暫態(tài)較高體電導(dǎo)率的材料.

非線性電導(dǎo)是一種在介質(zhì)材料接近電氣擊穿強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)的電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度急劇升高的現(xiàn)象.雖然非線性電導(dǎo)有利于靜電荷的釋放,但因其特性太陡,此時(shí)的電荷釋放一定是以電脈沖形式出現(xiàn)的,而且,非線性電導(dǎo)特性出現(xiàn)的電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)法控制.所以合理的非線性電導(dǎo)特性應(yīng)該是平滑的且具有較低的閾值電場(chǎng).

綜上分析,抗內(nèi)帶電最佳的方法是使材料具有平滑且閾值電場(chǎng)較低的非線性電導(dǎo)特性.

2 實(shí)驗(yàn)裝置與試樣

2.1 試 樣

1)自制 PI、Teflon、環(huán)氧樹(shù)脂試樣與復(fù)合試樣,試樣規(guī)格 100mm×100mm×2.5mm;

2)微米級(jí)無(wú)機(jī)復(fù)合添加劑,粒度范圍 4～50μm,粒度中值 35μm.

2.2 試驗(yàn)裝置

1)非線性電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) (見(jiàn)圖 1):包括400kV直流高壓發(fā)生器,nA～mA表(自制)等;

2)CONCEPT80寬帶介電譜測(cè)量系統(tǒng)(德).

圖1 非線性電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文認(rèn)為,滿足空間介質(zhì)材料抗帶電性能的最合理的非線性電導(dǎo)特性應(yīng)滿足 2個(gè)基本條件:①非線性電導(dǎo)出現(xiàn)的閾值電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)顯著降低,這樣可以將介質(zhì)帶電水平限制在較低水平,按照一般電力設(shè)備絕緣強(qiáng)度裕度設(shè)計(jì)慣例,高于工作場(chǎng)強(qiáng) 10倍左右較為合理;②非線性電導(dǎo)特性曲線應(yīng)較為平緩,因?yàn)槎盖偷膹?qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)特性可能引發(fā)威脅航天器安全的脈沖型放電.下面主要描述對(duì)3種典型空間介質(zhì)材料進(jìn)行非線性電導(dǎo)改性后的電導(dǎo)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

3.1 Teflon的非線性改性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Teflon以其優(yōu)異的電性能、耐溫性能和機(jī)械強(qiáng)度、自潤(rùn)滑特性等,廣泛被用作航天器電纜絕緣材料及結(jié)構(gòu)件等.對(duì)聚四氟乙烯進(jìn)行改性的最大困難是 Teflon不容易加工和粉粒添加劑難以均勻分布.研究發(fā)現(xiàn),采用 Teflon懸浮液可以獲得較均勻的 Teflon微米添加劑復(fù)合試樣.并對(duì)其電導(dǎo)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖 2.實(shí)驗(yàn)顯示,Teflon本身的強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)特性閾值大約為 27.5 kV/mm,而20%的添加劑可以使 Teflon復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)特性閾值出現(xiàn)在 7 kV/mm左右,遠(yuǎn)低于材料的擊穿強(qiáng)度.而直流擊穿強(qiáng)度略有降低(見(jiàn)表 1,降低約2.6%).

圖2 Teflon的改性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表 1 復(fù)合試樣的DC平均擊穿強(qiáng)度 EBpj kV/mm

3.2 對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的非線性改性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

環(huán)氧樹(shù)脂是電路板常用基體樹(shù)脂材料,無(wú)機(jī)添加劑粉粒在液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂中容易沉淀是試樣制作的難點(diǎn),因此對(duì)其進(jìn)行改性的關(guān)鍵是添加劑能否在環(huán)氧樹(shù)脂中均勻分布.采用機(jī)械高速攪拌和加速預(yù)固化的方法,獲得了基本均勻的復(fù)合材料板狀試樣.圖 3為對(duì)板狀環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合試樣的電導(dǎo)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖3 環(huán)氧樹(shù)脂的改性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)顯示,添加劑致使環(huán)氧復(fù)合材料在較低電場(chǎng)下(21 kV/mm左右)出現(xiàn)非線性電導(dǎo),遠(yuǎn)低于材料的擊穿強(qiáng)度 40 kV/mm.DC擊穿強(qiáng)度反而上升(見(jiàn)表 1,分別為上升 10.4%和 8.6%).

3.3 PI的非線性電導(dǎo)改性結(jié)果

PI具有優(yōu)良的耐高低溫性能、介電性能和機(jī)械性能,在航天器上主要用做熱控薄膜和絕緣結(jié)構(gòu)件材料.對(duì)改性 PI做的電導(dǎo)特性和阻溫特性分別如圖 4～圖 6所示.

1)非線性電導(dǎo)特性.本實(shí)驗(yàn)研究顯示(見(jiàn)圖4),添加劑含量不同時(shí)會(huì)對(duì) PI產(chǎn)生不同的改性效果:添加劑含量為 5%是較為合理,原因是復(fù)合材料的電導(dǎo)率曲線較為平滑,在低場(chǎng)下的電導(dǎo)率比基體樹(shù)脂還略有降低(見(jiàn)圖 5)等.

圖4 PI的電導(dǎo)改性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2)電導(dǎo)率與添加劑含量關(guān)系.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,復(fù)合材料的體電導(dǎo)率隨著添加劑含量具有最小值(5%含量時(shí)),而不是簡(jiǎn)單按添加劑體積分?jǐn)?shù)單調(diào)變化.表明在添加劑與基體樹(shù)脂之間存在一種能影響電導(dǎo)率的界面極化效應(yīng),會(huì)產(chǎn)生對(duì)直流電的限流作用.

圖5 復(fù)合介質(zhì)體電導(dǎo)率與添加劑含量關(guān)系

3)阻溫特性.航天器圍繞地球運(yùn)行時(shí)不斷經(jīng)歷周期性的溫度變化,研究介質(zhì)材料的阻溫特性是考核介質(zhì)材料抗內(nèi)帶電性能的重要環(huán)節(jié).本實(shí)驗(yàn)顯示,當(dāng)添加劑含量在 3%～5%之間時(shí),在 0℃以上溫度范圍,復(fù)合材料的體電阻率反而增加(見(jiàn)圖 6).由于添加劑的電阻率遠(yuǎn)低于基體樹(shù)脂的電阻率,更證實(shí)了在上述所提出的 2種材料界面存在界面極化限流作用的推測(cè).

圖6 添加劑改性試樣的阻溫特性曲線

3.4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)研究顯示,采用復(fù)合添加劑對(duì) Teflon,PI和環(huán)氧樹(shù)脂 3種典型空間聚合物介質(zhì)進(jìn)行非線性電導(dǎo)率改性的效果十分顯著.由于航天器供電電纜的電源為直流電,而介質(zhì)損耗描述的是介質(zhì)在交變電場(chǎng)下才會(huì)出現(xiàn)的一種損耗,因此改性對(duì)材料介電常數(shù)和介質(zhì)損失帶來(lái)的變化并不對(duì)絕緣材料在空間的使用帶來(lái)影響.改性后所帶來(lái)的抗內(nèi)帶電防護(hù)的好處卻是巨大的.當(dāng)然,這還是初步的實(shí)驗(yàn)研究,隨著研究的深入,有關(guān)添加劑成分的優(yōu)選結(jié)果,添加劑與材料加工工藝、使用性能相適應(yīng)的最佳加入量和粒度分布等一系列研究成果必然為我國(guó)介質(zhì)抗內(nèi)帶電防護(hù)技術(shù)帶來(lái)較大發(fā)展.由于復(fù)合介質(zhì)非線性電導(dǎo)率產(chǎn)生機(jī)理所能檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)極少,因此以下有關(guān)本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果機(jī)理的討論主要根據(jù)本文的研究經(jīng)驗(yàn)和電介質(zhì)物理理論推測(cè).

本文認(rèn)為,復(fù)合介質(zhì)出現(xiàn)非線性電導(dǎo)的原因大致為:由于添加劑具有遠(yuǎn)高于基體樹(shù)脂的電導(dǎo)率,按照介質(zhì)物理理論[13],在外施直流電壓的情況下,應(yīng)用串聯(lián)復(fù)合介質(zhì)模型,對(duì)比圖 4和圖 5,對(duì)復(fù)合材料非線性電導(dǎo)做如下描述(見(jiàn)圖 7):①聚合物歐姆電導(dǎo)區(qū).較低電場(chǎng)下,復(fù)合材料內(nèi)部的局部電場(chǎng)按電導(dǎo)率呈反比分布,電場(chǎng)主要由基體樹(shù)脂承擔(dān).此時(shí)復(fù)合介質(zhì)呈現(xiàn)聚合物基體的歐姆特性.②聚合物薄層隧道電流產(chǎn)生區(qū).距離為納米級(jí)的 2個(gè)添加劑粒子間的聚合物薄層首先出現(xiàn)“隧道”效應(yīng)電流[14],此時(shí)宏觀電流隨外加電場(chǎng)上升而非線性上升.③聚合物局部強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)產(chǎn)生區(qū).外施電壓進(jìn)一步上升,距離為納米 ～微米級(jí)的聚合物薄層上出現(xiàn)局部強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo),此時(shí)聚合物薄層上的局部強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)將遠(yuǎn)大于添加劑粒子的體電導(dǎo),主要電場(chǎng)轉(zhuǎn)為由添加劑粒子承擔(dān),宏觀電流迅速上升.④添加劑歐姆電導(dǎo)區(qū).外施電壓繼續(xù)上升,所有聚合物薄層上均出現(xiàn)強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo),由于添加劑電阻的限流作用,宏觀電流近似線性上升.復(fù)合材料又一次出現(xiàn)以添加劑為主體的歐姆特征.⑤宏觀強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)區(qū).在復(fù)合材料擊穿前夕,整體材料必然出現(xiàn)強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo),最終必將再一次出現(xiàn)電流陡增情況.

圖7 復(fù)合介質(zhì)的理想非線性電導(dǎo)特性

4 結(jié) 論

1)采用電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于基體樹(shù)脂的無(wú)機(jī)添加劑對(duì) PI、環(huán)氧樹(shù)脂和 Teflon等航天器用聚合物材料進(jìn)行非線性電導(dǎo)改性,復(fù)合材料均會(huì)產(chǎn)生顯著的非線性電導(dǎo)特性.改性試樣的直流擊穿強(qiáng)度基本不發(fā)生改變.

2)添加劑粒子之間的聚合物薄層上出現(xiàn)隧道電流和局部強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)是復(fù)合介質(zhì)產(chǎn)生非線性電導(dǎo)的根本原因.主要電場(chǎng)在聚合物薄層和添加劑粒子之間轉(zhuǎn)化,添加劑粒子的限流作用以及整體復(fù)合介質(zhì)最終出現(xiàn)強(qiáng)場(chǎng)電導(dǎo)就是非線性電導(dǎo)的全貌.

通過(guò)對(duì) 3種空間聚合物材料的非線性電導(dǎo)率改性試樣的制備工藝研究,發(fā)現(xiàn)改性后的復(fù)合材料具有預(yù)計(jì)的非線性電導(dǎo)特性,初步研究獲得了預(yù)期結(jié)果.可以預(yù)料,復(fù)合介質(zhì)優(yōu)良的非線性電導(dǎo)特性,有利于及時(shí)泄放掉介質(zhì)中因高能電子注入積累的靜電荷,達(dá)到介質(zhì)抗深層帶電的防護(hù)目標(biāo).但研究是否滿足工程應(yīng)用需要,還有許多路要走:①最適宜添加劑品種選擇;②添加劑粒度和粒度分布選擇;③添加劑自身的配比研究;④添加劑與基體樹(shù)脂的相容性研究;⑤復(fù)合材料機(jī)械性能研究等.此外,復(fù)合材料是否滿足消除脈沖型放電的目標(biāo),還要依賴于熱刺激電流(TSC,Thermally Stimulated Current)等實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,最終還要通過(guò)空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.還需要在線測(cè)量介質(zhì)在高能電子注入情況下的電荷聚集程度、在線電導(dǎo)特性分析等.

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(編 輯 :張 嶸)

Internal charging protection technology of typical space polymer dielectric material

Wang Jinfeng Zheng Xiaoquan Li Shengtao Bai Jingjing

(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi'an Jiaotong Univevsity,Xi'an 710049,China)

Besides efficient shield,the best method for eliminating the pulsed discharge induced by the deep charge of spacecraft dielectric was to use dielectric materials or insulation structural components that never produce any pulsed discharges.By non-linearity modification experiment research on several typical polymer dielectrics like Polyimide,Epoxide resin and Teflon,it was found that through the addition of the inorganic powder that possess a conductivity much higher than that of the polymer,the composite dielectric material would produce a remarkable non-linearity conductance character.By this way,the excessive charges would be discharged as a method of non-pulsed conducting current before the deep dielectric charging reaches the discharge threshold.It was proved that,even the normal resistance could be increased by this method.Finally,the mechanism on the non-linearity conductance of the composite material was investigated.

space aircraft dielectrics;modification;non-linearity conductivity;internal charged protection

TM 215.1+3;TM 154.3

A

1001-5965(2011)02-0180-05

2009-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50577052);國(guó)家專項(xiàng)基金、電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題(EIPE09107)

王金鋒(1984-),男,河南許昌人,博士生,xc.wangjf@stu.xjtu.edu.cn.