兩種功能化硅氧基聚酰亞胺薄膜的 高頻沿面放電壽命對比研究

丁梓桉 黃旭煒 李慶民 郭玉金 林 俊

（1. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 2. 重慶郵電大學自動化學院 重慶 400065）

0 引言

分布式能源以其容量小、分布廣、清潔等優點為電網優化供電性能的同時，本身的不穩定性也給系統安全帶來挑戰。高頻電力變壓器（High Frequency Power Transformer, HFPT），又稱電力電子變壓器，具有高度可控性，使用戶的電能質量得到提升[1-2]。聚酰亞胺（Polyimide, PI）作為目前性能最好的絕緣有機材料之一[3]，常用于HFPT的包覆絕緣。HFPT內部的高頻類正弦波會加劇設備內部鐵磁材料的趨膚效應與鄰近效應，導致溫度大幅度升高，同時沿面閃絡場強遠小于相同間隙的氣隙擊穿場強，因此在HFPT尖端缺陷處易發生沿面放電，最終造成絕緣失效[4-5]。為了保證HFPT向高電壓、大容量方向發展，對包覆材料在高頻沿面放電下的沿面放電耐受性能提出了更高的要求。

研究表明，對聚酰亞胺進行納米復合改性可以有效提升其絕緣性能，Huang Yi[6]、Zha Junwei[7]、張明玉[8]等分別研究了不同的納米添加物對PI薄膜性能的影響，表明添加納米粒子后，PI的耐電暈特性有所提高。吳廣寧等發現摻雜SiO2納米粒子的PI薄膜的高頻耐電暈時間明顯高于純PI薄膜，并具有更高的電導率[9]。但當加入SiO2納米粒子含量過高時會引起粒子間的團聚，并在高頻電老化后，薄膜表面形成連續片狀團簇結構[10-11]。分子結構改性通過主鏈共聚等方式向聚合物分子鏈中添加特殊功能結構。黃旭煒等將苯硫醚基團引入聚酰亞胺分子結構中，降低聚酰亞胺的介質損耗，同時有效地提高了高頻絕緣性能[12]。蘇源等發現，在聚酰亞胺分子主鏈中引入硅氧烷鏈節，Si-O鍵鍵能高且柔順性好，可以提高聚酰亞胺的加工成型性并保持高耐熱性[13]。雷星鋒等將聚硅氧烷引入聚酰亞胺分子鏈中，顯著改善了材料耐原子氧性能，并且在有機物被氧化后形成了防護層[14]。同含量下，硅氧烷鏈越長，酰亞胺鏈段也越長，分相越明顯，選用硅氧烷鏈最短的有機硅材料——二硅氧烷，可以得到幾乎不存在分相的含Si-O結構的聚酰亞胺[15]。可見，SiO2納米復合改性提高了聚酰亞胺的絕緣性能，但引入了雜質離子，存在分散性問題；Si-O結構的分子結構改性使聚酰亞胺對熱、原子氧等具有優異的耐受性，引入二硅氧烷不存在分相問題。

以上對兩種不同改性方式的功能化硅氧基聚酰亞胺薄膜的性能研究一般局限于工頻、均勻電場或原子氧等環境，改性機制研究也多局限于上述環境下的納米復合改性薄膜。尤其是利用二硅氧烷對聚酰亞胺進行分子改性后，其理化性質有待研究，高頻電壓下的沿面放電耐受性能和高頻電應力下分子結構改性的影響機制尚不清楚。因此有必要開展對功能化硅氧基聚酰亞胺薄膜的理化性質和高頻沿面放電耐受性能的對比實驗，同時探究兩種改性方式對薄膜高頻沿面電應力下耐受性能的影響機制。

為此，本文分別利用原位聚合法和隨機共聚法制備了引入Si-O結構的兩種改性方式的功能化硅氧基聚酰亞胺，通過紫外光譜、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）、熱力學性能、力學性能以及電阻率測試，對比研究納米復合改性聚酰亞胺和分子結構改性聚酰亞胺材料的理化性質，在保證熱學、力學等理化性質優異的條件下，重點關注兩種功能化硅氧基材料的高頻沿面放電壽命，遴選更有效的改性方式，并揭示兩種改性方式對功能化硅氧基聚酰亞胺高頻放電壽命的影響及作用機制，為提升材料的高頻放電耐受性能提供有效途徑和理論基礎。

1 改性聚酰亞胺薄膜合成

改性薄膜制備原料為：4, 4-二氨基二苯醚（4, 4'- Diaminodiphenyl ether, ODA），分子式為C12H12N2O；均苯四甲酸酐（Pyromellitic Dianhydride, PMDA），分子式為C10H2O6；N, N-二甲基乙酰胺（N, N- Dimethylacetamide, DMAC），分子式為C4H9NO，分析純；1, 3-雙（3-氨基丙基）-1, 1, 3, 3-四甲基二硅氧烷（3, 3'-(1, 1, 3, 3-tetramethyldisiloxane-1, 3- diyl) bispropylamine, GAPD），分子式為C10H28N2OSi2；納米SiO2，粒徑15±5nm。

均采用兩步法[16]合成薄膜。由于納米復合電介質的擊穿性能一般在低含量（質量分數＜5%）時達到最優[17]，故以ODA總摩爾含量（0.015mol）為基準，分別引入1%、2%、5%摩爾含量的GAPD和與之Si元素摩爾含量分別相同的SiO2納米粒子（等效含量為1%、2%、5%），對聚酰亞胺進行分子結構改性和納米復合改性。純聚酰亞胺命名為P0，按照加入的SiO2含量將薄膜分別命名為Si1、Si2、Si5，按照加入的GAPD含量將薄膜分別命名為G1、G2、G5。聚酰亞胺反應方程式如圖1所示，Si組中，m=0，即等摩爾含量的ODA和PMDA在DMAC中脫水縮合形成聚酰胺酸（PAA）；G組中，m＞0，即加入ODA和GAPD兩種二胺，并與等摩爾含量PMDA在DMAC中反應合成PAA。PAA進一步脫水縮合 形成聚酰亞胺薄膜。

圖1 聚酰亞胺反應方程式Fig.1 Reaction equation of polyimide

制備流程為：容積為150mL的三口燒瓶處于氮氣流動環境，于氮氣出氣口加入冷凝管用于溶劑回流，待充滿氮氣后加入0.015mol二胺單體（ODA），按照表1試樣改性方案加入不同含量的GAPD單體或納米SiO2粒子，倒入35mL蒸餾提純過的DMAC，放入40℃水浴中進行機械攪拌并超聲振蕩處理1h，置入40℃油浴中，每間隔0.5h按照6∶3∶1的比例加入1.02倍二胺摩爾含量的PMDA并進行溫和的機械攪拌，12h后得到粘稠的金黃色PAA溶液。以溫和的循環水抽真空方式除泡0.5h，取出經NaOH溶液浸泡、超聲振蕩并經去離子水洗凈烘干后的玻璃片，用無水乙醇擦拭表面，使用涂布器將粘稠的PAA溶液一次性、均勻地涂布在玻璃上，繼續抽真空0.5h后放入自然空氣循環的高溫烘箱中進行階梯升溫（60 ×2h℃ , 120 ×1h℃ , 200 ×1h℃ , 250 ×1h℃ , 320 ×0.5h℃ ），自然冷卻后取出并靜置于去離子水中直至易脫膜，烘干后得到(28±2)μm厚度的金黃色聚酰亞胺薄膜。

表1 試樣改性方案Tab.1 Modification scheme of the samples

研究表明，PAA溶液固含量影響聚酰亞胺分子量大小，固含量大，則分子鏈長，溶劑相對少，成膜質量高。將粘稠的PAA溶液置入無水乙醇中破乳，將洗滌后得到的白色固體低溫烘干并稱重，最終得到所有組PAA溶液固含量均保持在較高值18%以上，這就保證了后續測試數據的穩定性與可靠性。

2 理化性質測試與對比

對薄膜進行基本理化性質測試，可用于檢測制備試樣的整體結構、電荷轉移絡合作用、微觀形貌、熱學性能、力學性能以及電阻率大小，將有助于判斷薄膜的理化性質和討論兩種改性方式的影響機制。

在本研究中，采用島津（UV3600）紫外-可見分光光度計測試試樣的結構特征以及電荷轉移絡合物（Electron-Transfer Complex, CTC）；采用日本電子JSM-6700F SEM觀察試樣表面和斷面形貌特征；采用德國耐馳200F3差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimeter, DSC）測試試樣玻璃化轉變溫度，以表征熱學性能；采用高鐵檢測儀器A1-7000M拉力試驗機測試試樣的力學性能；采用美國吉時利6517B高阻表和8009型三電極夾具測試試樣的體積電阻率與表面電阻率。

2.1 紫外-可見吸收光譜

200～600nm的紫外-可見吸收光譜如圖2所示。聚酰亞胺是由電子給予體（二胺鏈節）和電子接受體（二酐鏈節）交替組成的，兩者之間會發生電荷轉移絡合作用，影響聚酰亞胺分子的堆砌[15]。在紫外可見光照射下，電子可以進行不同軌道的躍遷。將光譜曲線上吸收最大的位置所對應的波長定義為最大吸收波長λmax，可以使用最大吸收波長判斷光譜曲線沿橫軸的移動方向。由圖2可知，引入GAPD后，在近紫外區和可見光區的最大吸收波長均向長波方向移動，即紅移，而相比較，加入SiO2則紅移較小。這表明引入GAPD鏈節后，高聚物體系的共軛程度增加更多，這是由于聚酰亞胺的電子給予體和電子接受體間存在更強的非鍵電子躍遷，即形成了更強的電荷轉移絡合物[18]，增加了分子間作用力，提高了材料的規整性，堆砌更加緊密。同時在引入GAPD后，薄膜在近紫外光區（200～400nm）均出現明顯的增色現象，表明材料中的硅氧鍵對紫外光吸收更多，Si-O鍵鍵角大、鍵能高、不易斷裂，這將有效減少紫外光對材料基體的侵蝕作用。以上表明，Si5光譜曲線變化相對不明顯，而G5分子間電荷轉移絡合作用明顯提升，增強了分子間作用力，同時減少了紫外光的侵蝕作用。

圖2 紫外-可見吸收光譜Fig.2 UV-Vis absorption spectrum

2.2 掃描電子顯微鏡形貌觀察

利用掃描電子顯微鏡對噴金后薄膜的表面放大4萬倍，形貌如圖3所示，對斷面放大2萬倍，形貌如圖4所示。

表面形貌上，Si組與G組有明顯差別，Si組表面可見較明亮的SiO2納米粒子浮于基體表面，Si1與Si2分布均勻，Si5整體分散良好，如圖3a所示。但局部出現了輕微的團聚現象，如圖3b所示，這是 由于納米粒子體積小、具有高表面能，當摻雜含量過多時，易受范德華力與氫鍵的作用而團聚；G組試樣則觀察不到分相現象。同時，放大4萬倍后G組與Si組表面的基體有所差別，P0與Si組基體形貌相似，顆粒細小且無定形區域較多，但G組試樣隨GAPD含量增加，基體粒徑明顯增加，排列更規整有序，結構更加緊湊，聚酰亞胺的聚集態發生改變。斷面形貌上，所有試樣斷面均呈現由于拉斷而導致的山脈狀突起形貌，Si組斷面形貌中出現分散均勻且亮度較大的無機粒子。其中，Si5有輕微的無機粒子聚集現象，如圖4b所示；G組斷面形貌與P0類似，基體較均勻，并未出現無機-有機分相情況。

圖3 試樣表面形貌Fig.3 Surface morphology of the samples

圖4 試樣斷面形貌Fig.4 Section morphology of the samples

2.3 差示掃描量熱儀

采用外推起始溫度作為玻璃化轉變溫度Tg，初次熱循環后的二次升溫曲線如圖5所示。

圖5 試樣玻璃化轉變溫度Fig.5 Glass transition temperature of the samples

Tg為無定型聚合物大分子鏈段自由運動的最低溫度，也是工作溫度的上限，是材料熱行為的關鍵參數[19]。結果表明，加入SiO2會影響聚合物大分子的自由運動，Si5的Tg值提升；G組聚酰亞胺分子間不僅存在范德華力，同時還存在電荷轉移絡合物，GAPD的引入加強了電荷轉移絡合作用，導致聚酰亞胺分子鏈更難轉換為自由運動的狀態，從而提高了聚酰亞胺的Tg值。以上表明，兩種功能化硅氧基聚酰亞胺熱學性能均有所提升，相比于Si5，G5的Tg值提高更多。

2.4 力學強度測試

每種薄膜進行5組測試，最后取中值作為實驗結果。圖6為五種試樣拉伸強度隨拉伸長度變化的曲線。

圖6 試樣力學強度Fig.6 Mechanical strength of the samples

由圖6可知，Si5最大拉伸長度與最大拉伸強度均增大，這是由于少量的SiO2粒子摻雜在聚酰亞胺基體中，與分子鏈相互作用從而增強力學性能；GAPD的加入導致最大拉伸長度的降低，但最大拉伸強度提升，這是由于引入GAPD改變了聚酰亞胺的聚集態，其結構致密，分子排列更加有序，具有剛而脆的特點[20]。以上表明，兩種試樣總體力學性能優異，最大拉伸強度均保持在80MPa以上，斷裂伸長率最低仍在11%以上，滿足工程應用。

2.5 電阻率

根據國標GB/T 1410-2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率實驗方法》[21]，測試結果如圖7所示。

圖7 試樣電阻率Fig.7 Resistivity of the samples

可見明顯規律：加入SiO2會導致表面電阻率與體積電阻率降低，這與文獻[9]規律一致；引入GAPD會導致表面電阻率與體積電阻率增加，隨著摻雜含量的增加，G組電阻率有更加明顯的提升。這是因 為SiO2晶體由于缺陷和雜質等原因，在材料中引入雜質離子，增加了載流子的濃度，根據電導率公式：μ=nqv（μ為電導率，n為載流子濃度，q為載流子電荷量，v為載流子遷移率），提高了體積電導率，即降低了體積電阻率；同時，對于聚酰亞胺本身而言，其由非晶體相和晶體相共同構成，電導主要由電子跳躍電導構成，所以G組聚集態發生改變，減少了微晶相之間的距離并增加了相間勢壘，增加了體積電阻率。表面電阻率不僅與介質本身性質有關，更與外界環境（如濕度）、沾污情況等關系很大。Si組納米粒子易吸附水份，因此導致表面電阻率下降；G組中有機硅使材料具有憎水性[22]，阻礙空氣中水分對氣-固界面的電子傳導的影響，因此G組聚酰亞胺表面電阻率明顯提升。

3 高頻沿面放電實驗及結果

3.1 實驗條件與流程

采用針-板電極進行試樣的高頻沿面放電實驗，實驗系統如圖8所示。將尺寸為5cm×5cm的試樣薄膜平整地置于針電極下、Kapton聚酰亞胺墊板上，實驗溫度20℃，相對濕度25%。根據高頻電力變壓器實際工況，其工作頻率一般不高于20kHz[23]，故實驗電壓頻率選擇為20kHz。

圖8 實驗系統Fig.8 Experimental system

測量沿面放電壽命，將用無水乙醇擦拭過的薄膜在50℃真空烘箱中干燥1h，向材料施加11kV、20kHz高頻正弦電壓，記錄從加壓起至薄膜擊穿的時間，將其定義為沿面放電壽命，每種試樣測試5次，使用威布爾分布的統計方法表征試樣壽命。

3.2 實驗結果

沿面放電的發展形態如圖9所示，G組和Si組高頻沿面放電行為差異明顯。放電初始時期，針尖 處出現微弱的暈光，材料表面出現白斑，隨后暈光向地電極延伸，材料表面白斑擴大，P0與Si組出現明顯的以針尖為底端交點的“兔耳”狀深色區域，G組則幾乎不出現此現象，且白斑發展速度明顯較慢。隨后白斑繼續擴大至地電極，其中，P0與Si組的“兔耳”狀區域界限模糊并緩慢變白，最終產生明亮電弧導致擊穿。高頻交流作用力下發生擊穿，將形成劇烈的放電通道，甚至在材料表面出現燃燒現象。

圖9 沿面放電發展形態Fig.9 Development form of surface discharge

高頻沿面放電過程中，在針尖-空氣-薄膜三結合點處產生起始有效電子，在強場作用下與中性原 子發生碰撞電離，產生電子崩，電子運動速度遠大于正離子，因此在近針尖處產生暫留的正離子，在高頻交流電場中，這些正離子由于運動緩慢而在針-板電極中來回折返，構成了藍紫色的電暈電流，空間電場的畸變加快流注的形成、增強，正負帶電粒子復合、湮滅產生的能量將破壞材料表面，造成擊穿。“兔耳”區域的出現是由于針尖向前至地電極的連線上有較強的電場，對材料表面腐蝕劇烈，而針尖側邊電場不均勻，對材料腐蝕小。在放電后期，電場長時間侵蝕材料表面，使表面各處均出現白斑，“兔耳”模糊。根據Richardson-Schottky定律中初始電子產生概率公式[24]可知：在高頻沿面放電中，電暈持續侵蝕材料表面，沿面放電會隨著材料表面損傷程度加深而更劇烈。由SEM可見，G5表面更緊湊均勻，材料損傷程度小，同時G5表面電阻率高，阻礙了電荷運動，因此表面白斑發展緩慢，材料表面的均勻性與耐電性能可以勻化電場，流注發展緩慢，故未出現“兔耳”現象。

高聚物的擊穿壽命滿足威布爾分布，雙參數的威布爾累計分布函數是指時間從0～t樣品出現失效的概率，有

式中，t為沿面放電壽命；θ為尺度參數，即在θmin時擊穿概率為63.2%；β為形狀參數。

圖10為基于威布爾分布的壽命擬合直線，圖11為壽命變化曲線。由圖10和圖11可見，引入SiO2與GAPD均提升聚酰亞胺的高頻沿面放電壽命，且 含量越多，壽命越長。Si5威布爾統計壽命是P0的3.40倍，G5威布爾統計壽命是P0的4.77倍，可見，利用GAPD進行分子改性將更好地提高聚酰亞胺沿面放電壽命。

圖10 壽命擬合直線Fig.10 Fitting lines of the lifes

圖11 壽命變化曲線Fig.11 Variation curve of the life

為進一步研究材料高頻沿面放電壽命的影響機制，用11kV、20kHz高頻正弦電壓分別對Si5、P0、G5電老化10min，對Si5、G5電老化40min后，利用SEM觀察材料表面形貌變化如圖12所示。

圖12 不同放電時間后試樣表面形貌Fig.12 Surface morphology of the samples after different discharge time

施加10min高頻電壓后，P0表層被破壞嚴重，局部形成孔隙群，露出聚酰亞胺骨架，孔隙群有相連接的趨勢；Si5在加壓10min后，表層仍有一部分保持平整，部分區域產生了溝壑，溝壑邊緣有SiO2粒子聚集一起；G5在加壓10min后，表層大部分保持了平整狀態，較大的基體粒子平整地堆砌一起。Si5在加壓40min后，表層被大面積破壞，下面的基體出現孔洞；G5在加壓40min后，表層被大面積破壞，有機分子被破壞消失，殘留有絮狀粒子均勻分散在表層，同時裸露出較平整的內層基體。

綜上可見，兩種改性方式的聚酰亞胺薄膜在高頻正弦沿面放電下的耐受性能差別較大，其中，G組耐受性能更好，沿面放電行為也有所不同，需要進一步討論其在高頻電應力下的影響機制。

4 影響機制對比討論

對聚酰亞胺進行納米復合改性和分子結構改性使其硅氧功能化后，均可較大幅度提升聚酰亞胺薄膜的高頻正弦沿面放電壽命，引入GAPD的分子改性方法更加有效。兩種薄膜基體的理化性質均有所變化，兩種改性方式對材料理化性質和高頻沿面放電壽命有不同的影響機制。

4.1 納米復合改性

對于Si組，SiO2粒子為含Si-O-Si結構的晶體，將其引入聚酰亞胺材料中，符合Li Shengtao等提出“多區域結構”模型[25]，即納米顆粒與聚合物之間存在界面，由內到外分別為鍵合層、過渡層和正常層。在微水環境中SiO2粒子周圍存在羥基，以氫鍵的形式鍵入到聚酰亞胺中，與基體構成鍵合層；納米粒子周圍的分子鏈構成過渡層。該模型同樣可以應用于高頻沿面放電中，影響機制為：①由于納米粒子的吸附作用，鍵合層中將捕獲大量電荷，造成空間電場畸變，鍵合層將首先破壞，起到對基體的保護作用，最后破壞聚酰亞胺分子鏈，造成擊穿；②納米粒子通過氫鍵與基體連接，使過渡層分子鏈排列較均勻，更易承受高頻電應力，在長期壽命中起重要作用；③電子在強場作用下易撞擊納米粒子，將能量傳遞至SiO2晶體中[26]，SiO2中的Si-O鍵具有很高的鍵能，不易被破壞，碰撞導致電子的散射并減少電子動能，抑制了電子崩的形成；④由于納米粒子與基體間的氫鍵等界面作用，紫外-可見吸收光譜紅移，即材料結構更規整緊湊，同時Tg值增加，提高了材料在高頻電應力和熱應力下的耐受性能。

4.2 分子結構改性

Si組加入了規則分布并形成晶體的Si-O-Si結構，以氫鍵連接無機-有機相，有效地提高了高頻沿面放電的耐受性；GAPD為含Si-O-Si鏈節的二胺，其分子結構示意圖如圖13所示，形成了不同于傳統的聚酰亞胺分子，這引起了更復雜的材料性質變化。材料的網絡結構模型如圖14所示，Si-O-Si鏈節均勻分布于聚集態和非聚集態之間，并以兩端的Si-C鍵與聚酰亞胺鍵合，通過分子間的電荷轉移絡合作用、范德華力等分子間作用力交聯成更均勻穩定的Si-O-Si網絡，有效地提升了Si-O鍵與聚酰亞胺基體的相容性，增加了網絡的密度，優化了聚合物的理化性質。同時，分散鍵入基體中的Si-O鍵鍵能高、韌性強，也增強了聚酰亞胺分子鏈本身的絕緣性能。

圖13 GAPD分子結構示意圖Fig.13 Molecular structure of GAPD

圖14 Si-O-Si網絡結構模型Fig.14 Structure model of the Si-O-Si network

由材料理化性質分析可見：在主體官能團未發生變化、無機-有機未分相的情況下，G組基體聚集態發生變化，材料結構更加緊湊，Si-O結構吸收紫外光增加，Tg值、最大拉伸強度、電阻率增加。電暈放電產生的電子、紫外光以及局部高溫都會造成材料的絕緣擊穿[27]，因此，其基體理化性質對高頻沿面放電耐受性的影響機制分以下幾個方面：①研究表明，半結晶聚合物的電學性能強烈依賴于其聚集態結構[28]，電荷轉移絡合作用增加，材料結構更均勻緊湊，這將有效阻礙載流子運動，延緩導電通道形成[29]，更難以形成電子崩。同時，致密的結構不利于分子鏈捕獲電荷后的自由運動，難以積累能量破壞材料；②紫外光波長短、能量高，Si-O結構對紫外光的吸收度增加，將有效減少材料的光電離程度，抑制紫外光對基體的侵蝕作用；③熱老化會造成聚酰亞胺化學鍵的斷裂[30]，Tg值的增加將減輕熱量對材料的破壞作用；④有機硅材料的憎水性更明顯地提升材料表面電阻率，有助于勻化沿面電場，阻礙電暈向前發展。

由圖12對材料放電后的表面形貌觀察發現，經受相同時間的高頻沿面放電沖擊后，G5表層破壞最少，表層被破壞后，裸露出來的下一層仍然緊密平整，同時在外層大部分被破壞后，內層基體表面殘留團聚的絮狀粒子。這是由于：①帶電粒子在電場作用下轟擊材料表面，暴露出來的活性物質與空氣中電離出來的氧原子等作用，使聚酰亞胺分子鏈發生開環反應[31]，與Si-C鍵、C-C鍵等相比，Si-O鍵鍵能最大，因此最后斷開，在空氣中形成分相的無機硅氧化物；②含硅氧烷結構的聚酰亞胺在沿面放電產生的高溫下會發生硅氧烷氧化交聯反應，表面出現類似二氧化硅的結構相[32]。材料由有機結構最終轉變為無機/有機分相結構，無機結構可以有效散射電子從而保護內層材料，同時無機/有機相間存在界面作用，內層材料的力學強度、耐熱性和放電耐受性能等均有提升。綜上，分子改性后薄膜的沿面放電耐受性強，外層材料被破壞后，形成無機/有機分相結構，可減少內層材料的損傷并進一步提升材料性能。

5 結論

本文通過在聚酰亞胺中引入1%、2%、5%摩爾含量的GAPD和等效含量的納米SiO2分別進行分子結構改性和納米復合改性，將兩種功能化硅氧基材料理化性質和高頻沿面放電壽命進行對比分析，得到以下結論：

1）加入SiO2使得基體性質有所優化，表面電阻率和體積電阻率整體降低，其中，Si5出現了輕微團聚；引入GAPD后，分子間電荷轉移絡合作用增強，吸收紫外光能量增加，聚酰亞胺基體聚集態改變，基體結構更緊湊且不存在分相，同時玻璃化轉變溫度提高，力學性能良好，表面電阻率和體積電阻率增加。

2）引入SiO2和GAPD后，發現薄膜電壽命隨含量增加而增加。純聚酰亞胺高頻沿面放電統計壽命為23min，Si5統計壽命為78.1min，G5統計壽命為109.7min，引入GAPD的分子改性技術可以更大幅度地提升薄膜的高頻耐受性。

3）初步厘清了兩種功能化硅氧基聚酰亞胺的改性方式對薄膜高頻沿面放電壽命的影響機制。納米復合改性通過無機粒子與基體間的界面作用以及對電子的阻擋散射作用等，增加薄膜的高頻沿面放電壽命；分子結構改性通過化合鍵、電荷轉移絡合作用等形成了均勻分布且不分相的Si-O-Si網絡，在外層基體破壞后產生分散的絮狀無機粒子，保護內層材料并提升材料性能，多因素協同作用可以更有效地提升材料高頻放電壽命。

4）通過引入SiO2和GAPD，使得聚酰亞胺硅氧功能化，而后者可更好地優化材料的理化特性，提升高頻沿面放電的耐受性能，具有在高頻電力變壓器應用的潛在價值。