下面简单介绍一下我们所做的和绝缘材料介电特性相关的研究工作。第一个研究对象是钛酸铜钙陶瓷,它的化学式是CaCu3Ti4O12(简称CCTO)。因为CCTO陶瓷介电常数非常高,所以引起了很多人的关注。但是它的介电损耗比较大,原因之一是里面含有很多氧化铜或者是氧化亚铜这类半导电成分。从实际应用的角度,希望提高它的击穿场强。为了实现高的击穿场强,我们在制备CCTO陶瓷时添加了氧化铝添加剂,氧化铝在陶瓷烧结过程中可以和氧化铜/氧化亚铜发生化学反应,从而起到减少氧化铜/氧化亚铜的目的,以此来大幅度提升击穿场强。通过氧化铝的添加,将传统的CCTO陶瓷的击穿场强由4 kV/cm提高到了21 kV/cm。
图1 ZnO低温下的介电损耗曲线
对于氧化锌(ZnO)压敏陶瓷,大家知道氧化锌压敏陶瓷在避雷器过电压保护器件里面应用非常广泛,而我们主要研究了它的介电损耗机制。如图1所示,这是低温下ZnO陶瓷的介电损耗频谱,可以看出在测试的频率范围内出现两个损耗峰。经过活化能的计算,我们确定了这两个损耗峰的起源,分别代表了锌填隙和氧空位这两种点缺陷结构。而在ZnO压敏陶瓷内部,主要是这两种本征的点缺陷结构在影响陶瓷电性能。那么通过这种研究方法,我们可以通过工艺、组分的变化来调控两种不同的点缺陷的浓度和比例,进而提供一个提高氧化锌压敏陶瓷性能的一些方法。
除此之外,纳米复合电介质电导特性的研究,对于直流条件下的绝缘材料和电力设备都是非常关键的。在这项工作中,我们主要做的是通过添加不同的纳米粒子,以及对纳米粒子进行不同的表面处理,对整个材料的电导特性进行调控,使整体的直流电导特性得到优化,来满足不同的实际使用要求。
图2 a)未老化 b)老化96 h c)老化144 h d)金相显微图片
另一个主要的研究对象是电缆中所使用的交联聚乙烯材料,简称XLPE。我们研究的是XLPE老化以后结构变化和性能的关联性。图2描述的就是随着老化时间的增加,XLPE里面出现了一些富铜相杂质。而富铜相杂质一旦出现,由图3就可以看出,XLPE的击穿场强大幅度下降。图2中下面的两幅图展示的就是杂质出现以后XLPE的形貌图,实际上由于产生一些自由体积的增量,所以会产生很多树枝状的微裂纹,因此绝缘材料的击穿场强会有大幅度的下降。
图3 击穿场强随老化时间的变化规律
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