1、概述：

    高儲能密度復合絕緣材料在電力系統、脈沖功率技術中有著廣泛的應用需求 。在脈沖功率技術中由于儲能元件的儲能密度低, 限制了高功率脈沖電 源的小型化和實用化 。實現儲能元件的小型化和輕量化, 改善材料的儲能密度是關鍵 。目前, 在大多數 場合下所用材料的儲能密度與高功率脈沖電源從實驗室走向實用的要求還有相當的距離。 高功率窄脈沖平臺中 Blumlein 線( 脈沖形成線) 是一個關鍵儲能和脈沖形成部件。它的長度與儲能絕緣介質的介電常數和磁導率相關, 厚度主要受材料的絕緣性能影響 。脈沖電源輸出電壓脈寬( τ) 由 Blumlein 線材料的介電常數和磁導率決定, 即 :

    式中:L 為 Blumlein 線的長度, μ、ε分別為材料 的相對磁導率和相對介電常數, C 為光速。 

    可見, 要形成長脈沖, 材料的尺寸隨之增加。以 脈寬 50ns 為例, 常用的油介質 Blumlein 線大約要 5m 長, 嚴重限制了系統的小型化 。如果材料相對介電 常數( 下文提到的介電常數均指相對介電常數) 大于 100, 擊穿場強大于 400kV cm, 用這種材料制作的 Blumlein 線與用油介質的 Blumlein 線相比體積減小近十倍, 而且穩定性增強, 不需要附屬設施, 這對脈 沖源的小型化 、實用化具有極其重要的意義, 但它對材料提出了苛刻要求。 

    一般情況下, 固體 Blumlein 線采用陶瓷材料, 但 陶瓷材料加工性差, 擊穿場強低, 使它的應用受到限制。目前主要采用納米技術改性陶瓷材料, 以增強 其加工特性和擊穿強度來達到使用要求 。美國 Sandia 國家實驗室、Missouri Rolla 大學等研究單位都 曾有相關的研究。采用高介電常數復合絕緣材料為解決這個難題提供了一種思路, 國內國外都有相關的研究。由于高儲能材料在脈沖功率技術中的特殊應用, 國外的相關報道比較謹慎, 對材料的成分、制備方法 、機理 、測量條件等沒有詳細的介紹。 美國的 Pennsylvania State 大學材料研究實驗室在辦公室的支持下開展高儲能密度復合材料的研究 , 他們將瓷粉( 平均直徑 0.5μm) 與偏氟乙烯、三 氟乙烯的共聚物溶于甲乙酮溶液, 混合后, 固化制得 介電常數 ε=250, 擊穿場強 E =為1.2 MV cm( 在幾 十 μm 厚度的薄膜上測得) 的復合材料, 但在厚尺寸 下其擊穿強度卻大幅度下降, 而且制造困難, 不適用 于固體 Blumlein 線 。國內西安交通大學 、上海交通 大學等單位也研究過相關高介電常數復合絕緣材料 , 研究表 明, 在 聚乙烯中加入60 %以上的BaTiO3 ( 鈦酸鋇) 微粒( 微米級) , 復合材料的介電常 數大于 20 ;同時加入 20 %鋁粉和 40 %BaTiO3 微粒, 復合材料的介電常數可達到 40, 但其擊穿場強只有 幾十 kV cm 。目前主要進行對各種復合材料體系的 特性及其體系間相互作用機理的研究, 但由于材料 的復雜性, 還沒有統一的理論解釋和指導, 亟待進一 步深入的研究。 固體 Blumlein 線的研究工作已經展開許多年, 傳輸理論比較清楚 , 但是由于材料的限制, 它的應用還不能推廣, 隨著脈沖功率技術民用化的進程的發展, 其研究的需求日益迫切 。針對這一需求, 我們展開了高密度儲能聚合物復合絕緣材料的研究工作。

2、高儲能密度聚合物復合絕緣材料的試驗：

實驗原材料：

    在高分子聚合物材料中, 聚酰亞胺( PI) 的優良性能, 不僅表現在耐熱、耐寒特性, 具有良好 的介電特性, 并且容易實現分子結構的優化設計, 滿 足不同的性能要求。我們選擇聚酰亞胺作為基體樹 脂, 具有高介電常數的 BaTiO3 系陶瓷粉體作為無機 添加劑, 采取合理的工藝制備復合材料 。 

    所用原材料 :聚酰亞胺樹脂 KH304, 由中國科學 院化學研究所提供 。BaTiO3 系粉體 :B 粉和 F 粉兩 種, 相對介電常數分別為:2000 和 12000 ;由西安交 通大學電氣設備與電氣絕緣國家重點實驗室提供 。

聚酰亞胺-陶瓷復合材料的制：

高介電常數聚酰亞胺復合材料的制備過程示意 圖, 見圖 1 。

    對不同介電常數的 B 、F 的 BaTiO3 微粒, 分別以 30%、50%、65%、80%的含量加入聚酰亞胺基體制得試 樣分組為:A ( 0 %) ;加入 B 粉分別為 A1( 35%) 、A2 (50%) 、A3( 65 %) 、A4 ( 80%) ;加 入 F 粉分別為 B1 (35 %) 、B2( 50%) 、B3(65%) 、B4( 80 %) ;每組試樣三個。

性能測試

直流擊穿強度

    直流實驗采用倍壓整流電路, 試驗電壓 0 ～ 1.3 ×105V 。最高可輸出 1.3 ×105V 直流高壓 。樣品上 的電壓由靜電電壓表來測量, 量程最高可達 100kV 。 試驗采用不對稱電極系統, 高壓電極為 25 的圓柱 銅電極, 接地電極為 75 的圓臺銅電極, 試驗采用 快速升壓法。快速升壓是指電壓從零上升到擊穿電 壓所經歷的時間, 約為 10 ～ 20s, 施加最高電壓 100kV 。

    試驗數據見表 1, 所測的數據有分散性, 但從整 體來看這批試樣還是成功的, 有的試樣擊穿場強超 過了 400kV cm 。

介電常數與介質損耗角正切：

    相對介電常數和介質損耗角正切測量采用 ZJD-C介電常數介質損耗測試儀。分別在 1kHz 、10kHz 、 100kHz 和 1000kHz 進 行 了 測 量, 實 驗 結 果 見 圖 2 ～ 5 。 可以看出, A 組試樣與 B 組試樣的介電常數相 差不是很大 。在 1kHz ～ 1000kHz 頻率范圍內, 材料 的介電常數略有減小, 變化不大, 而損耗隨頻率增加 而增加;BaTiO3 含量變大, 復合材料的介電常數明顯 提高, 介質損耗角正切趨向增加;加入F 粉體的復合 物介電常數略大于加入 B 粉體的復合物, 損耗的規 律不明顯。試驗結果基本符合規律[ 12] 。 A 組試樣 與 B 組試樣所加入的 BaTiO3 粉體介電常數相差 6 倍, 但復合材料的介電常數增加卻不出現這種結果, 這可能是由于高介電常數陶瓷在粉碎成為粉體的過 程中無法保持其高介電常數特性 。

電阻率：

    電阻率用ZST-121型高阻計測量, 加 1000V 電壓。 實驗結果如圖 6 所示 。A 組試樣的電阻率略高于 B 組, 說明復合材料介電常數提高, 即電容提高, 會引 起材料電阻的降低 。因為高介電常數意味著容易極化, 直接影響材料的導電能力 。

結論

    試驗結果表明, 復合材料的絕緣強度優良, 有的擊穿場強超過了 400kV cm 。在 1kHz ～ 1000kHz 頻率范圍內, 材料的介電常數隨著頻率的提高略有減小, 變化不大, 而損耗隨頻率增加而增加;BaTiO3 含量增 大, 復合材料的介電常數明顯提高, 介質損耗角正切趨向增加 ;加入 F 粉體的復合物介電常數略大于加 入 B 粉體的復合物。加入BaTiO3 會減小材料的電 阻率 。

    初步的研究結果表明目前試樣的性能與應用需求還有一定的距離, 但通過進一步對基體材料的分子結構設計、優化和調整 、陶瓷粉體微粒的細化和工藝變化等方法, 復合材料的參數還可以進一步提高。 同時, 還可能通過其它的方法來達到固體Blumlein 線的要求, 如在聚合物中加入磁性材料粉末, 適當地提高材料的磁導率等, 我們將進行進一步實驗研究工作 。