МАТЕРИАЛ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ВОССТАНОВЛЕННЫЙ ОКСИД ГРАФЕНА, УСТРОЙСТВО, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ В СЕБЯ ЭТОТ МАТЕРИАЛ, И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭТОГО МАТЕРИАЛА
MATERIAL COMPRISING REDUCED GRAPHENE OXIDE, A DEVICE COMPRISING THE MATERIAL AND A METHOD OF PRODUCING THE MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области материалов на основе оксида графена и к электрическим устройствам, использующим материалы на основе оксида графена.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во многих электротехнологических приложениях комбинируются материалы с различными электрическими свойствами. Распределение электрического поля внутри и вокруг электрического устройства зависит от электрических свойств материалов, используемых в устройстве, а также от геометрии устройства. В приложениях переменного тока распределение поля в большой степени зависит от диэлектрических проницаемостей материалов устройства, в то время как в приложениях постоянного тока распределение поля в большой степени зависит от удельной электропроводности материала устройства.
Во многих устройствах различные материалы, демонстрирующие очень различные электрические/диэлектрические свойства, находятся в контакте. В таких устройствах эквипотенциальные линии электрического поля имеют тенденцию концентрироваться на границах раздела в направлении областей с низкой диэлектрической проницаемостью или с низкой электропроводностью. Чем больше разность между диэлектрическими проницаемостями/электропроводностью различных материалов, которые находятся в контакте, тем более неравномерным становится распределение поля. Такая концентрация электрического поля увеличивает риск электрического пробоя, и изолирующие свойства материала таким образом ухудшаются.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблема, к которой относится настоящее изобретение, заключается в том, как избежать электрического пробоя в электрических устройствах.
Предлагается материал, который включает в себя восстановленный оксид графена, в котором степень восстановления оксида графена имеет пространственную вариацию, так что материал имеет градиент электропроводности и/или диэлектрической проницаемости.
Один вариант осуществления предлагает электрическое устройство, включающее в себя материал из оксида графена, в котором степень восстановления оксида графена варьируется внутри материала так, чтобы материал имел градиент удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости.
При использовании такого материала в электрическом устройстве может быть достигнуто сглаживание электрического поля в устройстве. Кроме того, посредством такого материала также могут быть достигнуты улучшенные условия для рассеяния электрических зарядов на поверхности изолирующего устройства, которое подвергается воздействию сильных электрических полей.
Следовательно, может быть достигнуто снижение риска электрического пробоя.
В одном варианте осуществления электрическое устройство включает в себя элемент, выполненный из упомянутого материала; по меньшей мере второй материал со второй удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью и третий материал с третьей удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью. Вторая удельная электропроводность/диэлектрическая проницаемость является более высокой, чем третья диэлектрическая проницаемость/удельная электропроводность. Элемент, включающий в себя восстановленный оксид графена, расположен так, чтобы служить перемычкой между первым и вторым дополнительными материалами. В этом варианте осуществления этот элемент имеет по меньшей мере две поверхности с различной удельной электропроводностью и/или диэлектрической проницаемостью; и поверхность упомянутого элемента с высокой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью находится в физическом контакте со вторым материалом, а поверхность упомянутого элемента с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью находится в физическом контакте с третьим дополнительным материалом.
С помощью этого варианта осуществления достигается то, что распределение электрического поля между вторым и третьим материалами будет сглажено.
2
5
8
Электрическое устройство может быть, например, кабелем, кабельным приспособлением, таким как кабельная муфта или концевая заделка кабеля; электрическим устройством, включающим в себя распорную деталь; компонентом микроэлектроники; изоляционной втулкой; вращающейся машиной и т.д. В одном варианте осуществления отношение удельной электропроводности первой, с высокой удельной электропроводностью, части материала к удельной электропроводности второй, с низкой удельной электропроводностью, части материала превышает 10. Во многих приложениях это отношение будет значительно более высоким, таким как, например, свыше 10, свыше 10 или больше.
В одном варианте осуществления электрического устройства упомянутый элемент расположен так, чтобы он находился в физическом контакте по меньшей мере с одним вторым элементом устройства, причем материал на поверхности упомянутого первого элемента, который обращен ко второму элементу, имеет удельную электропроводность того же самого или подобного порядка величины, что и удельная электропроводность второго элемента.
Кроме того, предлагается способ производства материала для электрических приложений. Этот способ включает в себя различную обработку различных частей элемента из оксида графена для того, чтобы достичь различной степени восстановления оксида графена внутри элемента, что приводит к получению элемента, имеющего градиент удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости.
В одном варианте осуществления этого способа по меньшей мере одна часть элемента подвергается воздействию первой температуры, а вторая часть элемента подвергается воздействию второй температуры так, чтобы достичь температурного градиента в элементе, причем первая и вторая температуры отличаются, и по меньшей мере одна из первой и второй температур составляет 130°C или выше.
В одном варианте осуществления этого способа по меньшей мере одна часть элемента подвергается воздействию излучения, например ультрафиолетового излучения, лазерного излучения, рентгеновского излучения, импульсного или электроннолучевого излучения.
Элемент из оксида графена, используемый в этом способе, может включать в себя, например, композитный материал, имеющий полимерную матрицу и наполнитель из частиц оксида графена. Альтернативно элемент из оксида графена включает в себя бумагу из оксида графена.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения излагаются в следующем подробном описании и в приложенной формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает идеализированную химическую структуру оксида графена (ОГ).
Фиг. 2 показывает результаты изотермических измерений вещественной части удельной электропроводности σ' в зависимости от частоты f для элемента, который был подвергнут отжигу при различных температурах, что приводит к различным степеням восстановления.
Фиг. 3 представляет собой альтернативную иллюстрацию результатов измерения, показанных на Фиг. 2, где σ' изображена как функция температуры отжига при фиксированной частоте, равной 1 Гц.
Фиг. 4 показывает, как приведенная диэлектрическая проницаемость элемента из оксида графена варьируется в зависимости от температуры отжига при фиксированной частоте, равной 1 Гц.
Фиг. 5 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления материала с σε-градиентом в форме композитного материала из полимерной матрицы с частицами наполнителя из оксида графена.
Фиг. 6a иллюстрирует один вариант осуществления способа производства материала с σε-градиентом путем отжига различных частей элемента из оксида графена при различных температурах.
Фиг. 6b иллюстрирует один вариант осуществления способа производства материала с σε-градиентом путем облучения элемента из оксида графена.
Фиг. 7a показывает схематическое поперечное сечение вдоль осевой линии одного варианта осуществления кабельной муфты.
Фиг. 7b показывает схематическое поперечное сечение вдоль осевой линии другого варианта осуществления кабельной муфты.
Фиг. 7c показывает схематическое поперечное сечение вдоль осевой линии одного варианта осуществления концевой заделки кабеля.
Фиг. 7d показывает схематическое поперечное сечение вдоль осевой линии другого варианта осуществления концевой заделки кабеля.
Фиг. 8 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления силового кабеля, который включает в себя промежуточный элемент из материала с σε-градиентом в форме промежуточного слоя.
Фиг. 9 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления изоляционной втулки, включающей в себя промежуточный элемент из материала с σε-градиентом.
Фиг. 10 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления микроэлектронного устройства, включающего в себя промежуточный элемент из материала с σε-градиентом.
Фиг. 11a представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления газоизолированного распределительного устройства, включающего в себя изолирующую распорную деталь.
Фиг. 11b представляет собой поперечное сечение одного варианта осуществления изолирующей распорной детали, имеющей промежуточный элемент из материала с σε-градиентом.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Оксид графена (ОГ) является слоистым углеродным графитом из одного или нескольких слоев, с многочисленными функциональными группами, такими как эпокси-, гидроксильные и карбоксильные функциональные группы. Идеализированная химическая структура ОГ показана на Фиг. 1.
2
2
3
12
Оксид графена в последние годы привлекает к себе большой интерес, так как этот материал является промежуточным продуктом при производстве графена из графита. В идеальном графене, плоской версии углерода с толщиной в один атом, sp-гибридизированные атомы углерода располагаются в решетке типа пчелиных сот, обладающей высокой удельной электропроводностью. В противоположность этому, многочисленные функциональные группы в ОГ частично разрушают sp-гибридизацию в решетке, с ОГ, включающим в себя частично тетраэдрически координированные sp атомы углерода. ОГ поэтому является изолятором, и свежесинтезированные пленки оксида графена как правило, обладают сопротивлением листа при комнатной температуре порядка 10 Ом/квадрат или выше.
The reduction of graphene oxide
3
-12
Существуют различные пути восстановления ОГ для увеличения его химического сродства с графеном. Обзор различных способов восстановления оксида графена приведен в публикации «» by Pei, N. and Cheng, H-M. in Carbon 2012; 50:3210-3228. Хотя ОГ еще не был полностью восстановлен для получения совершенного графена, удельная электропроводность восстановленного оксида графена, вОГ, является значительно более высокой, чем удельная электропроводность свежесинтезированного оксида графена. Был получен восстановленный ОГ, имеющий удельную электропроводность порядка 10 См/см, в то время как удельная электропроводность свежесинтезированного материала из оксида графена может быть ниже чем 10 См/см. В зависимости от способа и условий достигаются разные уровни восстановления электронной структуры углеродной решетки графена, что приводит к широкому диапазону величин удельной электропроводности различных образцов восстановленного оксида графена.
Термическое восстановление является одним путей восстановления оксида графена, и может быть выполнено, например, как термический отжиг. Другие способы включают в себя облучение, например, с помощью лазерного, ультрафиолетового, рентгеновского, импульсного или электроннолучевого излучения, где импульсное облучение включает в себя облучение материала видимым светом высокой интенсивности, например от вспышки камеры.
Измерения показывают, что в зависимости от условий восстановления получается различная степень восстановления. Следовательно, путем варьирования условий, при которых выполняется восстановление, удельная электропроводность восстановленного оксида графена может варьироваться, причем варьирование происходит благодаря переменной концентрации восстановленного оксида графена.
В дальнейшем материал, включающий в себя оксид графена, будет упоминаться как материал из оксида графена.
На Фиг. 2 вещественная часть σ’ удельной электропроводности при переменном токе элемента из материала из оксида графена, который был отожжен при увеличивающихся температурах, графически нанесена как функция частоты f. Спектры удельной электропроводности в зависимости от частоты были получены при 17 различных температурах от 30°C до 190°C, с шагом 10°C. Измерения выполнялись изотермически.
Фиг. 3 представляет собой альтернативную иллюстрацию результатов измерения, показанных на Фиг. 3, где значение σ' при частоте 1 Гц графически нанесено как функция температуры отжига. При каждой температуре были проведены два последовательных измерения, проиллюстрированные черными и белыми квадратиками, соответственно.
dc
dc
Вещественная часть σ' удельной электропроводности при переменном токе приближается к удельной электропроводности при постоянном токе σ элемента по мере того, как частота приближается к нулю. Оценка σ для каждой температуры может быть взята из значения плато удельной электропроводности. Для температур ниже 130°C не видны никакие плато удельной электропроводности, и удельная электропроводность только умеренно увеличивается с увеличением температуры.
Как можно заметить на Фиг. 2 и Фиг. 3, удельная электропроводность непрерывно увеличивается с ростом температуры отжига. Более выраженное увеличение с увеличением температуры получается для температур от около 130°C и выше. Как будет обсуждено ниже, это также первая температура, где плато удельной электропроводности при постоянном токе могут быть видны на низких частотах, а также первая температура, где наблюдается увеличение между первым и вторым последовательными сканированиями частоты (см. Фиг. 3). Таким образом, начало термического восстановления элемента из оксида графена, похоже, происходит около 130°C. На Фиг. 2 кривая, представляющая температуру отжига, равную 130°C, обозначается стрелкой. Чем выше температура, тем большая часть оксида графена будет восстановлена, и тем выше будет удельная электропроводность. При температурах ниже 130°C слабое увеличение удельной электропроводности вызывается главным образом температурной зависимостью удельной электропроводностью материала, то есть увеличивающимся числом носителей в зоне проводимости с увеличением температуры, а не химической реакцией в материале.
Отношение удельной электропроводности при постоянном токе, полученной при температуре 190°C, к удельнойэлектропроводности при постоянном токе, полученной при температуре
dc
dc
-3
-13
130°C, составляет более десяти порядков величины: σ(190°C) составляет около 2*10 См/см, в то время как σ(130°C) имеет порядок 10 См/см.
Как было упомянуто выше, разность появляется между двумя последовательными сканированиями, изображенными на Фиг. 3, при температурах 130°C и выше. Эта разность указывает, как и ожидалось, что количество восстановленного оксида графена в элементе при конкретной температуре меняется со временем - отжиг продолжается в то время, когда проводятся измерения. Продолжающийся процесс отжига может также быть замечен в небольшом увеличении σ' с уменьшением частоты при температурах, где процесс отжига начался в масштабах времени наблюдения. Изотермические сканирования выполнялись от высоких до низких частот. Разности между последовательными измерениями наблюдались при низкочастотных измерениях, где требовалось более длительное время, и таким образом процесс отжига прогрессировал между получением результатов двух последовательных измерений.
Повторное измерение удельной электропроводности элемента сразу после того, как элемент возвратился к комнатной температуре, показало, что процесс восстановления был необратимым: Было найдено, что удельная электропроводность при комнатной температуре была почти равна значению при высокой температуре, только немного ниже, что должно было ожидаться, принимая во внимание большее возбуждение носителей в зоне проводимости при более высоких температурах.
N
N
N
Диэлектрическая проницаемость ε' материала показывает соответствующее увеличение с увеличением температуры отжига. Измерения диэлектрической проницаемости как функции температуры при частоте 1 Гц проиллюстрированы на Фиг. 4. На Фиг. 4 приведенная диэлектрическая проницаемость ε графически нанесена как функция от температуры при частоте 1 Гц, где ε определяется как ε'(T)/ε'(30°C). Как можно заметить на Фиг. 4, диэлектрическая проницаемость показывает значительное увеличение с температурой при температурах около 130°C и выше. На Фиг. 4 показаны результаты измерения в температурном диапазоне 20°C-170°C, а более высокие температуры были опущены по причинам разрешения. Однако резкое увеличение продолжается для более высоких температур. Например, измеренная приведенная диэлектрическая проницаемость при температуре 180°C, ε(180°C), составила около 9000.
В соответствии с настоящим изобретением вариации удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости, проистекающие из различных способов восстановления оксида графена, могут использоваться для того, чтобы произвести материал из оксида графена, который обладает градиентом удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости: За счет варьирования уровня восстановления в материале удельная электропроводность и/или диэлектрическая проницаемость в материале варьируется, и, следовательно, достигается градиент диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности. Материал из оксида графена с варьируемой степенью восстановления будет здесь упоминаться как материал с σε-градиентом, а градиент удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости будет упоминаться как градиент удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости. Увеличение восстановления оксида графена, которое вызывает увеличение удельной электропроводности, зачастую будет также вызывать увеличение диэлектрической проницаемости, и наоборот.
Градиент удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости может быть полезным, например, в управлении электрическим полем в электрических устройствах. Например, материал с σε-градиентом может использоваться для того, чтобы обеспечить плавный переход от сильного электрического поля к слабому электрическому полю в некотором электрическом устройстве, например в кабельной изоляции, кабельной муфте, концевой заделке кабеля, изоляционной втулке, микроэлектронном устройстве и т.д.
Кроме того, материал с σε-градиентом также может быть полезным на поверхности электрически изолирующих устройств для использования в сильных электрических полях, таких как электрически изолирующие распорные детали. Путем использования материала с σε-градиентом на поверхности рассеяние любых накопленных электрических зарядов может быть достигнуто без границы раздела.
Следовательно, материал с σε-градиентом будет выгодным во многих различных электрических устройствах, например, в устройствах, в которых напряжение подается через два материала со значительно различной удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемости: Материал с σε-градиентом может быть полезным в соединении между первым дополнительным материалом и вторым дополнительным материалом с различными электрическими свойствами, где первая поверхность материала с σε-градиентом находится в контакте с первым дополнительным материалом, а вторая поверхность материала с σε-градиентом находится в контакте со вторым дополнительным материалом. Материал с σε-градиентом может быть, например, включен между двумя материалами таким образом, чтобы электрическое свойство первой поверхности материала с σε-градиентом имело порядок величины, аналогичный порядку соответствующего электрического свойства первого дополнительного материала, который находится в контакте с первой поверхностью, в то время как соответствующее электрическое свойство второй поверхности материала с σε-градиентом имеет порядок величины, аналогичный порядку соответствующего электрического свойства второго дополнительного материала, который находится в контакте со второй поверхностью.
Элемент из материала с σε-градиентом, который используется в электрическом устройстве, будет упоминаться как промежуточный элемент, так как элемент такого материала может способствовать плавному переходу между областью сильного поля и областью слабого поля. Следовательно, промежуточный элемент является частью электрического устройства, которая выполнена материала из оксида графена с изменяющейся степенью восстановления. Такой промежуточный элемент может быть, например, с выгодой расположен между двумя или более твердыми материалами с различными электрическими свойствами; или между твердым материалом и текучей средой, где твердый материал и текучая среда имеют различные электрические свойства.
Материал из оксида графена с варьируемой степенью восстановления оксида графена может быть получен, например, путем отжига материала из оксида графена при температурном градиенте, и/или путем облучения материала из оксида графена.
Материал из оксида графена, используемый в качестве сырья в производстве материала с σε-градиентом, может быть, например, композитным материалом, включающим в себя полимерную матрицу с частицами наполнителя из оксида графена. В одной реализации в качестве композитной матрицы используется термореактивный полимер, который отверждается при температуре ниже температуры восстановления оксида графена. Температура восстановления оксида графена, как видно из представленных выше результатов измерения, как правило, составляет около 130°C. Примеры таких матриц из термореактивного полимера включают в себя эпоксидную смолу, полиуретан (PU) и поперечносшитый полиэтилен (XLPE). За счет использования термореактивного матричного материала, который отверждается при температуре ниже температуры восстановления оксида графена, устраняется риск восстановления частиц наполнителя из оксида графена во время процесса отверждения.
В другой реализации в качестве композитной матрицы используется эластомер, такой как силиконовая резина или этиленпропилендиеновая (EPDM) резина. В еще одной реализации в качестве композитной матрицы используется термопластический полимер. Примеры термопластических полимеров, которые могут использоваться в качестве композитной матрицы, включают в себя полиэтилен низкой или высокой плотности (LDPE или HDPE), полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT), полиэфирсульфон (PES), полисульфон (PSU), полифенилэфир (PPE), полифениленсульфид (PPS), полиэфиримид (PEI), и т.д. При производстве композитного материала с термопластической матрицей путем смешивания частиц наполнителя из оксида графена с материалом матрицы в расплавленной форме, процесс смешивания предпочтительно должен быть быстрым, если температура плавления матрицы находится выше 130°C, чтобы минимизировать восстановление частиц наполнителя из оксида графена. Охлаждение композитного материала может быть выполнено в соответствии с пространственным профилем охлаждения, который формирует желаемый σε-градиент.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, в котором композитный материал из оксида графена используется в качестве начальной точки, концентрация частиц наполнителя из оксида графена в матрице полимера является однородной. Зачастую концентрация частиц наполнителя из оксида графена является такой, что достигается или превышается порог перколяции. Концентрация частиц наполнителя из оксида графена может, например, находиться в диапазоне 0,1-50 объемных %. В одной реализации эта концентрация находится в диапазоне 1-10 объемных %.
В другой реализации композитного материала из оксида графена концентрация частиц наполнителя из оксида графена варьируется внутри композитного материала.
The chemistry of graphene oxide
Частицы наполнителя из оксида графена могут, например, находиться в форме порошка. Частица наполнителя из оксида графена, как правило, имеет форму чешуйки, где чешуйка обычно включает в себя стопку из одного или более одиночных слоев оксида графена. Ширина чешуйчатой частицы наполнителя из оксида графена может, например, находиться в диапазоне от 0,05 мкм-1 см, а толщина чешуйчатой частицы наполнителя из оксида графена может, например, находиться в диапазоне от 0,4 нм до 10 мкм. Альтернативно могут использоваться частицы наполнителя других размеров. Изготовление таких частиц является хорошо известным, и может быть выполнено, например, с помощью способа Хаммера; или с помощью модифицированного способа Хаммера; или любым другим подходящим способом. В способе Хаммера окисление графита до оксида графита достигается путем обработки графита безводной смесью концентрированной серной кислоты, нитрата натрия и перманганата калия. Для более полного описания способа Хаммера см., например публикацию «» by D. R. Dreyer, S. Park, C. W. Bielawski and R. S. Ruoff, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 228–240.
Пример композитного материала 500 из оксида графена схематично проиллюстрирован на Фиг. 5. Полимерная матрица 505 включает в себя частицы 510 наполнителя из оксида графена. Композитный материал из оксида графена на основе полимера может быть выполнен в виде большого куска или в виде тонкой пленки. Композитный материал из оксида графена, показанный на Фиг. 5, имеет толщину d.
Некоторые примеры способов производства композитного материала 500 из оксида графена могут быть найдены в публикации D. R. Bortz, E. G. Heras, and I. M. Gullon, «Impressive Fatigue Life and Fracture Toughness Improvements in Graphene Oxide/Epoxy Composites», Macromolecules 2012, 45, 238–245, dx.doi.org/10,1021/ma201563k; а также в публикации M. Moazzami Gudarzi and F. Sharif, «Enhancement of dispersion and bonding of graphene-polymer through wet transfer of functionalized graphene oxide», eXPRESS Polymer Letters Vol.6, No.12 (2012) 1017–1031. Альтернативно могут использоваться другие способы производства композитного материала из оксида графена.
В другом варианте осуществления материал из оксида графена, используемый в качестве исходного для производства материала с σε-градиентом, получается из бумаги из оксида графена. Бумага из оксида графена является коммерчески доступной и может быть произведена, например, из оксида графита, полученного по способу Хаммера, с последующей фильтрацией полученной коллоидной суспензии через мембранный фильтр и сушкой. Толщина бумаги из оксида графена часто находится в диапазоне 10-100 мкм, хотя также может использоваться бумага другой толщины.
Бумага из оксида графена может быть полезной, например, в качестве сырья для материала с σε-градиентом в тех приложениях, где требуется только тонкий слой материала из оксида графена. Бумага из оксида графена может также использоваться в таких приложениях, где требуются более толстые листы или большие части материала с σε-градиентом, и/или где были бы полезны большие области материала с σε-градиентом: Несколько листов бумаги из оксида графена могут быть тогда уложены в стопку и склеены вместе для того, чтобы увеличить толщину материала, например, посредством адгезива, такого как эпоксидная смола. Кроме того, адгезив, такой как эпоксидная смола, может использоваться для того, чтобы соединить лист бумаги из оксида графена со смежными листами бумаги из оксида графена с тем, чтобы получить лист бумаги из оксида графена большей области.
Материал из оксида графена, используемый в качестве сырья для производства материала с σε-градиентом, также может быть получен из графеновой бумаги или отдельного слоя графена, который окисляется для того, чтобы получить бумагу из оксида графена или отдельный слой оксида графена. При желании два или более листов оксида графена, полученных таким образом, можно соединить посредством адгезива, такого как эпоксидная смола, чтобы получить элемент из оксида графена с более высокой толщиной и/или большей площадью.
Свежесинтезированный оксид графена, использованный в эксперименте, проиллюстрированном на Фиг. 2-4, представлял собой коммерчески доступную бумагу из оксида графена, произведенную с использованием описанного выше способа Хаммера.
Далее будут обсуждены различные способы получения элемента из материала с σε-градиентом из оксида графена. Термин «элемент» используется для ссылки на любую деталь из материала, например, большой слой для кабельной изоляции, большой кусок материала, тонкую пленку и т.д.
Как было упомянуто выше, материал с σε-градиентом может быть получен путем восстановления оксида графена в элементе из оксида графена до различной степени. Та часть элемента из оксида графена, в которой восстановлен более высокий процент оксида графена, будет таким образом иметь более высокую удельную электропроводность, и наоборот. Различные степени восстановления внутри одного и того же элемента из оксида графена могут быть достигнуты, например, с помощью облучения, и/или путем применения различных температур к различным частям элемента, где температура по меньшей мере одной части элемента превышает 130°C.
Отжиг материала из оксида графена с температурным градиентом может быть выполнен, например, путем сохранения одной части элемента из оксида графена при первой температуре, а второй части элемента при второй температуре, где первая и вторая температуры различаются, и по меньшей мере одна из них превышает температуру начала восстановления, которая обычно составляет около 130°C. Дополнительные части элемента при желании могут выдерживаться при другой температуре.
H
H
high
Отжиг элемента из оксида графена при температурным градиенте приведет к материалу с σε-градиентом, в котором удельная электропроводность σ и диэлектрическая проницаемость ε увеличиваются от одной части элемента к другой. Самая высокая удельная электропроводность σ и самая высокая диэлектрическая проницаемость ε будут получены в той части элемента, которая отжигается при самой высокой температуре T и наоборот. Таким образом, различные температуры могут быть выбраны в зависимости от желаемого диапазона удельной электропроводности материала с σε-градиентом. Пример таблицы, которая может использоваться при выборе температуры отжига в производстве материала с σε-градиентом, показан ниже в Таблице 1. Числа, приведенные в Таблице 1, полученные из измерений, проиллюстрированных на Фиг. 2-4, иллюстрируют обширный разброс удельной электропроводности, которая может быть получена внутри одного и того же элемента. Однако эти числа являются приблизительными в том смысле, что степень восстановления при конкретной температуре также зависит от продолжительности времени выдержки элемента при конкретной температуре, и поэтому более высокая или более низкая удельная электропроводность может быть получена при конкретной температуре отжига в зависимости от времени отжига. Однако измерения показывают, что различные компоненты материала из оксида графена будут восстанавливаться при различных температурах, так что максимальное восстановление будет получено при каждой температуре, независимо от времени отжига.
Таблица 1Вещественная часть удельной электропроводности при переменном токе при частоте 1 Гц, полученная путем отжига при различных температурах
σ’ при частоте 1 Гц (См/см)
Температура отжига T (°C)
2*10<sup>-13</sup>
130
6*10<sup>-13</sup>
140
5*10<sup>-12</sup>
150
4*10<sup>-10</sup>
160
9*10<sup>-8</sup>
170
8*10<sup>-5</sup>
180
2*10<sup>-3</sup>
190
После восстановления до подходящего σε-градиента рабочая температура промежуточного элемента электрического устройства может быть, например, ниже 130°C для того, чтобы минимизировать дальнейшее восстановление материала из оксида графена. Однако, в зависимости от применения, также могут использоваться более высокие рабочие температуры.
high
low
Фиг. 6a иллюстрирует, как элемент 600 из оксида графена отжигается путем сохранения первой поверхности элемента 600 при высокой температуре T, при одновременном сохранении второй поверхности элемента 600 при низкой температуре T.
Если желаемым является элемент, в котором градиент удельной электропроводности присутствует только в частях элемента, одна поверхность элемента может быть, например, сохранена при температуре значительно ниже температуры начала восстановления, равной 130°C. Кроме того, более чем две различных температуры могут быть применены к элементу из оксида графена при желании, чтобы получить более сложный градиент удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости.
Время отжига может, например, находиться в диапазоне 1 мин- 24 час или более. В одном варианте осуществления процесса получения материала с σε-градиентом из материала из оксида графена время отжига находится в диапазоне 1-120 мин, в зависимости от того, когда будет достигнут желаемый температурный градиент. При отжиге элементов из оксида графена, для которых удельная теплопроводность является низкой, таких как некоторые полимерные композитные материалы 500, или при отжиге больших элементов из материалов из оксида графена, времена отжига будут более длинными для того, чтобы позволить температуре в элементе достичь желаемого температурного градиента.
Облучение материала из оксида графена энергетическим излучением, таким как лазерный свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи, вспышка или электронный луч, является другим путем получения вариации в степени восстановления материала из оксида графена и тем самым градиента удельной электропроводности. Фиг. 6b иллюстрирует один способ производства материала с σε-градиентом путем облучения части элемента 600 из оксида графена.
Облучение материала из оксида графена, похоже, вызывает восстановление материала из оксида графена посредством различных механизмов: Облучение заставляет материал из оксида графена нагреваться, способствуя, таким образом, термическому отжигу материала. Облучение поверхности элемента, таким образом, создает температурный градиент в элементе. Получаемая температура поверхности, как правило, увеличивается с увеличением интенсивности и времени облучения, а также с увеличением частоты излучения. Кроме того, излучение может проникать через элемент и взаимодействовать с химической структурой материала из оксида графена, и/или увеличивать температуру внутри элемента.
В одном варианте осуществления восстановления оксида графена лазерным излучением используется Nd:YAG лазер в импульсном режиме. Параметры импульсного Nd:YAG лазерного излучения могут, например, находиться внутри следующих диапазонов:
Средняя мощность: 0,1-10 Вт, например, 1-5 Вт;
Размер луча: 1-20 мм, например, 5-10 мм;
Скорость сканирования: 100-300 мм/мин, например, 150-250 мм/мин;
Продолжительность импульса: 1-5 мс, например, 2-3 мс;
Частота импульсов: 1-50 Гц, например, 10-20 Гц;
Альтернативно для восстановления оксида графена может использоваться Nd:YAG лазер в непрерывном режиме. Параметры непрерывного Nd:YAG лазерного излучения могут, например, находиться внутри следующих диапазонов:
Средняя мощность: 0,1-10 Вт, например, 0,5-3 Вт;
Размер луча: 0,1-10 мм, например, 0,5-4 мм;
Скорость сканирования: 100-300 мм/мин, например, 150-250 мм/мин;
Nd:YAG лазерное облучение приведено только как пример, и могут использоваться другие типы лазеров, например, Kr лазеры; KrF эксимерные лазеры; Yb:YAG лазеры; лазеры на InGaAsP; лазеры на моноксиде углерода; лазеры на диоксиде углерода, пикосекундные лазеры и т.д. Фактически может использоваться любой лазерный источник, который не разрушает материал. Кроме того, как упомянуто выше, могут использоваться другие типы облучения.
Материал с σε-градиентом может быть полезным во многих устройствах в электрических приложениях. Примеры устройств, включающих в себя промежуточный элемент из материала с σε-градиентом, показаны на Фиг. 7-11. На Фиг. 7-11 часть промежуточного элемента с высокой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью обозначается как σH, а часть промежуточного элемента с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью обозначается как σL. Таким образом, хотя традиционно греческая буква σ используется для обозначения удельной электропроводности, на Фиг. 7-11 она используется для того, чтобы обозначить удельную электропроводность и/или диэлектрическую проницаемость.
Степень восстановления в одной реализации может непрерывно увеличиваться от поверхности с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью материала к поверхности с высокой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью материала, и такая вариация здесь называется постепенной вариацией. Если градиент в материале с σε-градиентом был достигнут путем отжига, где температурная вариация была линейной в материале во время отжига, вариация удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости будет, как правило, аналогична вариации удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости, изображенной на Фиг. 3 и 4, соответственно. Вариация, изображенная на Фиг. 3 и 4, имеет экспоненциальный характер. Альтернативно могут быть достигнуты другие вариации удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости, например, путем применения другого температурного градиента; путем облучения; путем варьирования времени отжига и т.д.
Как было объяснено выше, материал с σε-градиентом может использоваться для того, чтобы облегчить плавный переход от сильного электрического поля к слабому электрическому полю в некотором электрическом устройстве, например, в кабельной изоляции, кабельных приспособлениях, таких, как кабельные муфты и концевые заделки кабеля, в микроэлектронных устройствах и т.д. Фиг. 7-10 иллюстрируют неисчерпывающий набор устройств, которые включают в себя промежуточный элемент из материала с σε-градиентом для целей постепенного изменения поля.
Осевое поперечное сечение примера одного варианта осуществления кабельной муфты 700, которое включает в себя промежуточный элемент 705 из материала с σε-градиентом, схематично проиллюстрировано на Фиг. 7a. Показана только та часть кабельной муфты 700, которая проходит с одной стороны от линии 704 осевой симметрии. Кабельная муфта 700 выполнена с возможностью обеспечения изоляции соединения между двумя кабелями 701a и 701b. В дополнение к промежуточному элементу 705, кабельная муфта, изображенная на Фиг. 7a, дополнительно включает в себя изолирующую часть, называемую изоляцией 710 муфты; изоляционный экран в форме полупроводникового слоя 712 муфты; контакт 715 муфты для соединения конца проводника первого кабеля 701a с концом проводника второго кабеля 701b; и полупроводниковый дефлектор 717, расположенный в качестве экрана вокруг контакта 715 муфты. В иллюстративных целях детали контактной области муфты не показаны, а контактная область 715 муфты показана как простой цилиндр.
Кабель 701a,b, как правило, включает в себя проводник 725, внутренний полупроводниковый слой 730, изолирующий слой 735 и внешний полупроводниковый слой 740.
Промежуточный элемент 705, изображенный на Фиг. 7a, расположен так, чтобы действовать в качестве продолжения внешнего полупроводникового слоя 740 кабеля 701a,b в кабельную муфту 700, когда кабельная муфта 700 используется, и промежуточный элемент 705, как правило, находится в электрическом контакте с внешним полупроводниковом слоем 740 кабелей 701a,b. Промежуточный элемент 705, изображенный на Фиг. 7a, проходит от внешнего полупроводникового слоя 740 первого кабеля 701a в изоляцию 710 муфты, вокруг дефлектора 717 к внешнему полупроводниковому слою 740 второго кабеля 701b. Промежуточный элемент 705, изображенный на Фиг. 7a, имеет такой градиент удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости, что удельная электропроводность/диэлектрическая проницаемость принимает высокое значение на концах, обращенных к внешним полупроводниковым слоям 740, а также в непосредственной близости от центральной линии 703, где предполагается сильное электрическое поле, в то время как удельная электропроводность/диэлектрическая проницаемость принимает низкое значение там, где предполагается более слабое электрическое поле между концами промежуточного элемента 705 и серединой промежуточного элемента 705. Следовательно, в этом варианте осуществления часть промежуточного элемента 705 с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью главным образом будет находиться внутри промежуточного элемента 705.
Кабельная муфта, изображенная на Фиг. 7a, включает в себя единственный промежуточный элемент 705, проходящий от одного конца кабельной муфты 700 к другому. Эта компоновка может быть выгодной, например, в приложениях постоянного тока, но может также использоваться в кабельных муфтах переменного тока. На Фиг. 7a промежуточный элемент 705 расположен снаружи дефлектора 717, и альтернативно может быть расположен, например, между контактом 715 муфты и дефлектором 717.
Другой вариант осуществления кабельной муфты 700, включающей в себя промежуточный элемент 705 из материала с σε-градиентом, показан на Фиг. 7b. В этом варианте осуществления кабельная муфта 700 включает в себя два промежуточных элемента 705, один на каждом конце кабельной муфты 700. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 7b, промежуточный элемент 705 проходит при использовании кабельной муфты 700 от внешнего полупроводникового слоя 740 кабеля 701 в изоляционный слой 710, где промежуточный элемент 705 заканчивается. Поверхность с высокой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью промежуточного элемента 705 обращена к внешнему полупроводниковому слою 740, в то время как поверхность с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью обращена к изоляции 710 муфты.
Один вариант осуществления, в котором кабельная муфта 700 включает в себя два отдельных несоприкасающихся промежуточных элемента 705, может быть особенно полезным в приложениях переменного тока, но может также применяться в кабельных муфтах 700 постоянного тока. На Фиг. 7b изоляция 710 муфты разделяет промежуточные элементы 705 и дефлектор 717. В другой реализации промежуточный элемент 705 может быть расположен так, чтобы проходить на всем протяжении от внешнего полупроводникового слоя 740 кабеля 701 до дефлектора 717.
На Фиг. 7b внешняя сторона промежуточных элементов 705 имеет цилиндрическую форму, однако также может использоваться коническая форма, комбинация цилиндрической и конической формы или любая другая подходящая форма.
На Фиг. 7a и 7b, полупроводниковый слой 712 муфты проходит в осевом направлении от центра кабельной муфты 700 за границей раздела между промежуточным элементом 705 и внешним полупроводниковым слоем 740, в то время как изоляция муфты не доходит так далеко в осевом направлении, как граница раздела между промежуточным элементом 705 и внешним полупроводниковым слоем 740. Эта компоновка часто является выгодной с точки зрения постепенного изменения поля.
Кабельные муфты 700, изображенные на Фиг. 7a и 7b, являются симметричными относительно центральной линии 703. Однако кабельные муфты 700, выполненные с возможностью соединения кабелей 701a,b различных диаметров, будут иметь первую сторону, имеющую отверстие первого диаметра, и вторую сторону, имеющую отверстие второго диаметра. Промежуточный элемент(-ы) 705 будут спроектированы соответствующим образом.
Промежуточный элемент 705, выполненный из материала с σε-градиентом, также может быть выгодным в концевой заделке кабеля. Концевая заделка кабеля может быть спроектирована, например, аналогично первой стороне кабельной муфты 700. Примеры концевых заделок 750 кабеля, включающих в себя промежуточный элемент 705, показаны на Фиг. 7c и 7d. Показана только та часть концевой заделки 750 кабеля, которая проходит с одной стороны от линии 704 осевой симметрии.
Концевая заделка 750 кабеля, изображенная на Фиг. 7c, имеет промежуточный элемент 705, который проходит на всем протяжении концевой заделки 750 кабеля от внешнего полупроводникового слоя 740 кабеля 701 к дополнительному концу 755 концевой заделки, где выходит проводник 725 кабеля 701. Конец с высокой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью промежуточного элемента 705 обращен к внешнему полупроводниковому слою 740 кабеля 701, в то время как конец с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью обращен к дополнительному концу 755 концевой заделки 750 кабеля. Концевая заделка 750 кабеля, где промежуточный элемент 705 проходит через всю концевую заделку 750 кабеля, может быть особенно полезной в приложениях постоянного тока, но может также использоваться в приложениях переменного тока.
Концевая заделка 750 кабеля, изображенная на Фиг. 7d, с другой стороны, имеет промежуточный элемент 705, который проходит только по части расстояния между дополнительным концом 755 концевой заделки 750 кабеля и внешним полупроводниковым слоем 740, с которым промежуточный элемент 705, как правило, находится в электрическом контакте. Конец с высокой электропроводностью такого промежуточного элемента 705 обращен к внешнему полупроводниковому слою 740 кабеля 701.
Промежуточный элемент 705 кабельной муфты 700 или концевой заделки 750 кабеля может быть фиксированной частью кабельной муфты 700 или концевой заделки 750 кабеля, соответственно. В другой реализации промежуточный элемент 705 может быть установлен на кабельной изоляции 735 до того, как кабель 701 будет введен в кабельную муфту 700 или в концевую заделку кабеля 750, например, в форме ленты или бумажной пленки.
Изоляция 710 муфты часто выполнена из изолирующего эластомера, такого как силиконовая резина или резина EPDM. Промежуточный элемент 705, изображенный на Фиг. 7, может быть выполнен, например, из композита эластомера с наполнителями из частиц оксида графена с варьируемой степенью восстановления, или из любого другого подходящего материала, содержащего оксид графена, который был восстановлен в варьируемой степени.
H
L
В одном варианте осуществления кабельной муфты 700 постоянного тока или концевой заделки 750 кабеля постоянного тока высокая удельная электропроводность σ может иметь, например, тот же самый или подобный порядок величины, что и удельная электропроводность внешнего полупроводникового слоя 740, а низкая удельная электропроводность σможет иметь, например, тот же самый или подобный порядок величины, что и удельная электропроводность объединенной кабельной изоляции 730.
H
L
Аналогичным образом в одном варианте осуществления кабельной муфты 700 переменного тока или концевой заделке 750 кабеля переменного тока диэлектрическая проницаемость ε части с высокой диэлектрической проницаемостью может иметь, например, тот же самый или подобный порядок величины, что и диэлектрическая проницаемость внешнего полупроводникового слоя 725, а диэлектрическая проницаемость ε поверхности с низкой диэлектрической проницаемостью или части 707b с низкой удельной электропроводностью может иметь, например, тот же самый или подобный порядок величины, что и диэлектрическая проницаемость объединенной кабельной изоляции 730.
H
L
H
L
-4
2
-16
-12
-2
2
-16
-15
Часть с высокой электропроводностью промежуточного элемента 705 может, например, иметь удельную электропроводность σ в диапазоне 10-10 См/см, в то время как часть с низкой электропроводностью может, например, иметь удельную электропроводность σ в диапазоне 10-10 См/см, с постепенным изменением удельной электропроводности между ними. В одной реализации удельная электропроводность лежит в диапазах 10<σ<10 См/см и 10<σ <10 См/см.
H
L
H
L
6
В применении переменного тока кабельной муфты 700 диэлектрическая проницаемость поверхности с высокой диэлектрической проницаемостью промежуточного элемента 705 может, например, лежать в диапазоне 10<ε<10, в то время как диэлектрическая проницаемость поверхности или части с низкой диэлектрической проницаемостью может, например, лежать в диапазоне 2<ε<10, с постепенным изменением между ними. В одной реализации высокое и низкое значения диэлектрической проницаемости промежуточного элемента 705 находятся в диапазонах 10<ε<20 и 2<ε<4, соответственно.
Толщина промежуточного элемента 705 кабельной муфты 700 или концевой заделки 750 кабеля может быть, например, той же самой или подобной толщине внешнего полупроводникового слоя 240, которая часто находится в диапазоне 0,1-10 мм, и зачастую в диапазоне 0,1-4 мм. Однако зачастую толщина промежуточного элемента 705 превышает толщину внешнего полупроводникового слоя 740, и может, например, принимать значение в диапазоне 1-10 толщин внешнего полупроводникового слоя, например, в диапазоне 1-3 толщин внешнего полупроводникового слоя. Длина промежуточного элемента 705, то есть продолжение в осевом направлении промежуточного элемента 705 кабельной муфты 700/концевой заделки 750 кабеля, может, например, находиться в диапазоне от 1 мм вплоть до длины кабельной муфты 700/концевой заделки 750 кабеля, которая может составлять 50 см или больше.
Хотя это и не показано на Фиг. 7a и 7b, промежуточный элемент 705 кабельной муфты 700 может, при желании, иметь большую толщину, чем внешний полупроводниковый слой 740 кабелей 701a,b, как показано на Фиг. 7c и 7d. Промежуточный элемент 705 может, например, перекрывать внешний полупроводниковый слой 740 кабеля, как показано на Фиг. 7a-7d, или может быть расположен так, чтобы только встречаться с внешним полупроводниковым слоем 740.
Фиг. 7a-7d представляют собой схематические чертежи кабельных муфт и концевых заделок кабеля, и эти кабельные приспособления могут, при желании, включать в себя дополнительные компоненты, такие как корпус, металлическое соединение для кабельного конца (в случае концевых заделок кабеля), а также дополнительные устройства для снятия напряжения, такие как, например, устройства для геометрического постепенного изменения поля и т.д.
Фиг. 8 схематично иллюстрирует радиальное поперечное сечение силового кабеля 800. Силовой кабель 800 включает в себя проводник 810, который показан как твердый проводник (альтернативно может использоваться проводник, включающий в себя множество жил). Кабель 800 дополнительно включает в себя внутренний полупроводниковый слой 815, изоляционный слой 820 и внешний полупроводниковый слой 825.
Большая часть падения напряжения между проводником и (как правило, заземленной) внешней стороной силового кабеля происходит через изоляционный слой 820. Как правило, в слое изоляции 820 желательно иметь однородное электрическое поле. В обычном силовом кабеле 800 два главных эффекта способствуют вариации электрического поля в изоляционном слое 820 вдоль радиального направления: круглая геометрия способствует постепенному уменьшению электрического поля в направлении к внешней стороне кабеля 800; в то время как увеличение температуры, которая является более высокой в области, близкой к проводнику 810, способствует постепенному увеличению электрического поля в направлении к внешней стороне кабеля 800. Однако эти два вклада, как правило, имеют различную величину, и поэтому существует риск того, что электрическое поле в изоляционном слое 820 силового кабеля 800 будет неоднородным.
Для того, чтобы сгладить электрическое поле в изоляционном слое 820, промежуточный элемент 805 из материала с σε-градиентом может быть включен между изоляционным слоем 820 и по меньшей мере одним из полупроводниковых слоев.
Во многих традиционных силовых кабелях 800 электрическое поле является более сильным в направлении к внешней стороне изоляционного слоя 820, так как температура будет ниже в направлении к внешней стороне, чем вблизи с проводником 810, приводя, таким образом, к более низкой удельной электропроводности в слое изоляции 820 в направлении к внешней стороне кабеля, чем рядом с проводником 810. Для того чтобы уменьшить этот эффект, может использоваться промежуточный элемент 805, который имеет более высокую удельную электропроводность/диэлектрическую проницаемость в направлении к внешней стороне силового кабеля, и более низкую удельную электропроводность/диэлектрическую проницаемость в направлении к проводнику 810. Эта ситуация относится к варианту осуществления, показанному на Фиг. 8. В других реализациях, в зависимости, среди прочего, от толщины и напряжения, приложенного к кабелю 800, область сильного поля может быть расположена вблизи проводника 810, а поверхность промежуточного элемента 805, имеющая высокую удельную электропроводность/диэлектрическую проницаемость, может быть расположена так, чтобы она была смежной с внутренним полупроводниковым слоем 815. В одной дополнительной реализации силовой кабель 805 включает в себя два промежуточных элемента: один, расположенный на наружной поверхности изоляционного слоя 820, и другой, расположенный на внутренней поверхности изоляционного слоя 820.
В одном варианте осуществления силового кабеля 800 внутренний и/или внешний полупроводниковые слои 815 и 825 формируются промежуточным элементом (элементами) 805 так, чтобы не требовался никакой отдельный внутренний и/или внешний полупроводниковый слой.
В одном варианте осуществления силового кабеля 800, который включает в себя промежуточный элемент 805, весь изоляционный слой 820 выполнен из материала из оксида графена, где часть материала изоляционного слоя градиентно восстанавливается для того, чтобы образовать промежуточный элемент 805. В другом варианте осуществления промежуточный элемент 805 образован из материала из оксида графена, который градиентно восстанавливается, в то время как другая часть изоляционного слоя 820 выполнена из другого изолирующего материала.
H
L
H
L
-4
2
-18
-12
-2
2
-18
-16
В одной реализации кабеля 800 постоянного тока поверхность с высокой электропроводностью промежуточного элемента 805 может, например, иметь удельную электропроводность σ в диапазоне 10-10 См/см, а поверхность с низкой электропроводностью промежуточного элемента 805 может, например, иметь удельную электропроводность σ в диапазоне 10-10 См/см, с постепенным изменением удельной электропроводности между ними. В одной реализации удельная электропроводность лежит в диапазонах 10<σ<10 См/см и 10<σ<10 См/см.
H
L
H
6
В одном варианте осуществления силового кабеля 800 переменного тока высокая диэлектрическая проницаемость ε может находиться, например, в диапазоне 10-10, а низкая диэлектрическая проницаемость ε может находиться, например, в диапазоне 10-20. В одной реализации диэлектрические постоянные лежат в диапазонах 2<ε<4 и
L
2<ε<3.
Силовой кабель 800, который включает в себя промежуточный элемент 805 в форме промежуточного слоя материала с σε-градиентом, может быть изготовлен, например, экструдированием, где полупроводниковые слои и изоляционные слои соэкструдируются, и где изоляционный слой 820 по меньшей мере частично включает в себя материал из оксида графена, например, композит из полимерной матрицы и частиц наполнителя из оксида графена.
Промежуточные элементы из материала с σε-градиентом могут кроме того использоваться для постепенного изменения поля в изоляционных втулках, как для приложений переменного тока, так и для приложений постоянного тока. В одном варианте осуществления изоляционная втулка включает в себя коаксиально расположенную фольгу, выполненную из проводящего материала, которая коаксиально окружает проводник, проходящий через изоляционную втулку, при этом коаксиальная фольга образует так называемое конденсаторное ядро. Фольга конденсаторного ядра, как правило, разделяется диэлектрическим изолирующим материалом, таким как, например, промасленная или пропитанная полимером бумага, или другой подходящий электрически изолирующий материал. Промежуточный элемент материала с σε-градиентом может быть применен, например, на краях фольги, например, на краях внешнего слоя фольги; или на всей фольге; или на всей фольге, кроме одного, двух или трех ее слоев; или на любом другом числе краев фольги. Промежуточный элемент может, таким образом, функционировать как перемычка между фольгой и изолирующим материалом. Фиг. 9 схематично иллюстрирует пример изоляционной втулки 900 для передачи тока по проводнику 904 с высоким потенциалом через плоскость 903, где изоляционная втулка 900 включает в себя промежуточный элемент 905 из материала с σε-градиентом. Также на Фиг. 9 показан фланец 906.
Промежуточный элемент 905 изоляционной втулки 900, изображенной на Фиг. 9, расположен как продолжение проводящей фольги 910 на крае 913 фольги в конденсаторном ядре 915. Промежуточный элемент 905, изображенный на Фиг. 9, расположен в центре как продолжение края 913 фольги. Альтернативно часть промежуточного элемента 905 может быть расположена на поверхности фольги 910 на краю 913 фольги. Промежуточный элемент 905, изображенный на Фиг. 9, может иметь любую подходящую длину. В одном варианте осуществления длина части промежуточного элемента 905, которая проходит дальше края 913 фольги, находится в диапазоне четырехкратного расстояния между слоями фольги в изоляционной втулке или меньше, однако также возможны более длинные промежуточные элементы 905. Поверхность с высокой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью промежуточного элемента 905 расположен так, чтобы она находилась в контакте с краем 913 проводящей фольги, в то время как поверхность с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью промежуточного элемента расположен так, чтобы она проходила в изоляционный материал 916 между слоями фольги 910, не соприкасаясь с фольгой 910. Изоляционная втулка 900, изображенная на Фиг. 9, представлена всего лишь как пример, и использование материала с σε-градиентом в изоляционных втулках 900 не ограничивается краями фольги или изоляционными втулками 900, включающими в себя конденсаторное ядро 915, но может использоваться в любой части любой изоляционной втулки для целей постепенного изменения поля, рассеяния заряда и т.д.
H
H
L
H
L
-4
2
-16
-12
-2
6
-16
-13
В одном варианте осуществления изоляционной втулки 900 постоянного тока высокая электропроводность σ промежуточного элемента 905 может, например, иметь электропроводность σ в диапазоне -10-10 См/см, в то время как часть с низкой удельной электропроводностью может, например, иметь удельную электропроводность σ в диапазоне 10-10 См/см, с постепенным изменением удельной электропроводности между ними. В одной реализации удельная электропроводность находится в диапазонах 10<σ<10 См/см и 10<σ<10 См/см.
H
L
H
L
6
6
В одном варианте осуществления изоляционной втулки 900 переменного тока диэлектрическая проницаемость поверхности с высокой диэлектрической проницаемостью промежуточного элемента 905 может, например, лежать в диапазоне 10<ε<10, в то время как диэлектрическая проницаемость поверхности или части с низкой диэлектрической проницаемостью может, например, лежать в диапазоне 2<ε<6, с постепенным изменением между ними. В одной реализации высокое и низкое диэлектрические проницаемости промежуточного элемента 705 лежат в диапазонах 10<ε<10 и 3<ε<5, соответственно.
Кабельные приспособления 700, кабель 800 и изоляционная втулка 900 приведены всего лишь как примеры устройств, в которых промежуточный элемент из материала с σε-градиентом был бы выгоден с точки зрения постепенного изменения поля, и промежуточные элементы из материала с σε-градиентом могут использоваться для постепенного изменения поля во всех видах электрооборудования. Материал с σε-градиентом может, например, использоваться во всех приложениях, где обычные материалы для постепенного изменения поля, удельная электропроводность/диэлектрическая проницаемость которых меняется в зависимости от силы электрического поля, используются в настоящее время. Например, материал с σε-градиентом может использоваться в защите от коронного разряда во вращающихся машинах высокого напряжения.
Как было показано выше, применение материала с σε-градиентом для постепенного изменения поля может быть выгодным, например, в высоковольтных устройствах и/или устройствах большой мощности, в которых создается сильное электрическое поле. В дополнение к этому, материал с σε-градиентом может быть полезным в других областях электротехнологии, где есть желание сгладить электрическое поле, например, в микроэлектронике. Фиг. 10 показывает схематическую иллюстрацию чипа 1000, имеющего изолирующий слой 1010 на подложке 1015, с электрическим контактом 1020 между ними. Площади вокруг краев контакта 1020 часто подвергаются полевому напряжению. Для того чтобы сгладить электрическое поле вокруг краев контакта 1020, промежуточный элемент 1005 может быть расположен на краях контакта так, чтобы поверхность с высокой удельной электропроводностью промежуточного элемента 1005 находилась в контакте с краями контакта, в то время как удельная электропроводностью поверхностей промежуточного элемента 1005, которые обращены к подложке 1015 и изолирующему слою 1010, является более низкой.
В одной реализации удельная электропроводности поверхности, обращенной к изолирующему слою 1010, является более низкой, чем удельная электропроводности поверхности, обращенной к подложке 1015.
H
H
L
L
H
H
L
L
-4
6
-18
-12
-2
6
-16
-14
Поверхность промежуточного элемента 1005, которая обращена к контакту 1020, может, например, в приложении постоянного тока, иметь удельную электропроводность σ в диапазоне 10<σ<10 См/см, а поверхность, которая обращена к изолирующему слою 1010, может, например, иметь удельную электропроводность σ в диапазоне 10<σ<10 См/см. В одной реализации поверхность промежуточного элемента 1005, которая обращена к контакту 1020, имеет удельную электропроводность σ в диапазоне 10<σ<10 См/см, а поверхность, которая обращена к изолирующему слою 1010, имеет удельную электропроводность σ в диапазоне 10<σ<10 См/см.
H
L
H
L
6
6
Аналогичным образом в чипе 1000 для приложений переменного тока промежуточный элемент 1005 может, например, быть спроектирован таким образом, что диэлектрическая проницаемость ε поверхности с высокой диэлектрической проницаемостью, которая является смежной с контактом 1020, принимает значение в диапазоне 10-10, а диэлектрическая проницаемость ε поверхности с низкой диэлектрической проницаемостью, которая является смежной с изолирующим слоем 1010, может, например, принимать значение в диапазоне 2-4. В одной реализации высокое и низкое значения диэлектрической проницаемости промежуточного элемента 1005 находятся в диапазонах 10<ε<10 и 2<ε<3, соответственно.
Чип 1000, изображенный на Фиг. 10, является всего лишь схематической иллюстрацией микроэлектронного устройства, в котором промежуточный элемент 1005 может быть полезным, и промежуточный элемент 1005 может использоваться в любом устройстве микроэлектроники, в котором желательно сглаживание локального поля.
Микроэлектронный чип 1000 часто покрывается изолирующим слоем 1010 из герметизирующего материала, например, силиконовой резины или резины EPDM. Поэтому часто является практичным использовать в промежуточном элементе 1005 композитный материал с σε-градиентом на основе матрицы из того же самого герметизирующего материала, что и изолирующий слой 1010. Однако альтернативно могут использоваться другие материалы.
Поверхность промежуточного элемента 1005, которая обращена к изолирующему слою, может быть, например, искривлена, как показано на Фиг. 10, чтобы достичь также геометрического постепенного изменения электрического поля. Это относится к другим промежуточным элементам, таким как промежуточный элемент 705, показанный на Фиг. 7, и промежуточный элемент 905, показанный на Фиг. 9. Кроме того, постепенное изменение поля с помощью материала с σε-градиентом может быть при желании комбинировано с другими материалами, изменяющими поле постепенно.
Выше были описаны различные электрические устройства, в которых материал с σε-градиентом используется для сглаживания электрического поля. Электрические устройства, описанные выше, в которых материал с σε-градиентом используется для сглаживания электрического поля, приведены в качестве примеров, и материал с σε-градиентом может использоваться в любом электрическом устройстве, в котором желательно постепенное изменение электрического поля.
В дополнение к приложениям постепенного изменения электрического поля, материал с σε-градиентом также может быть полезным в других аспектах электрических приложений. Например, материал с σε-градиентом может использоваться с целью облегчения рассеяния накопленных зарядов на поверхности устройства, которое подвергается воздействию сильных электрических полей, такого как, например, электрически изолирующая распорная деталь в устройстве высокого напряжения.
6
6
Фиг. 11a и 11b иллюстрируют использование материала с σε-градиентом в приложении газоизолированного распределительного устройства (GIS) для целей рассеяния зарядов. Фиг. 11a иллюстрирует часть газоизолированного распределительного устройства 1100, где проводник 1110 расположен в (обычно металлической) гильзе 1115, которая заполнена изолирующей текучей средой, такой как SF. Газоизолированное распределительное устройство 1100 дополнительно включает в себя одну или более электрически изолирующих распорных деталей 1120, которые предназначены для того, чтобы механически удерживать проводник 1110 на расстоянии от гильзы 1115 или отделять области, заполненные газом SF, от незаполненных газом областей, а также электрически изолировать проводник 1110 от гильзы 1115.
В сильных электрических полях изолирующая текучая среда в гильзе 1115 может диссоциировать на ионы. Таким образом, существует риск того, что ионы будут накапливаться на поверхности распорной детали, и такие накопленные ионы могут, в конечном счете, вызвать отказ.
Для того чтобы уменьшить риск такого отказа за счет поверхностных зарядов, промежуточный элемент 1105 может быть расположен на поверхности распорной детали 1120. Поверхность с высокой удельной электропроводностью промежуточного элемента 1105 образует поверхность распорной детали 1120, в то время как поверхность с низкой удельной электропроводностью промежуточного элемента 1105 обращена к внутренней части распорной детали 1120. За счет включения промежуточного элемента 1105 на поверхности распорной детали 1120 удельная электропроводность на поверхности распорной детали 1120 может быть настроена так, чтобы любые ионы газа, которые попадают на поверхность распорной детали, могли быть рассеяны до того, как произойдет отказ, вызванный накопленными зарядами.
H
L
H
H
-14
-8
-16
-12
-12
-10
-16
-12
В таком применении материала с σε-градиентом поверхность с высокой удельной электропроводностью промежуточного элемента 1105 будет обычно иметь сравнительно низкую удельную электропроводность σ, например порядка 10-10 См/см, чтобы поддержать изолирующие свойства распорной детали 1120. Удельная электропроводность σ поверхности с низкой удельной электропроводностью промежуточного элемента 1105 может находиться, например, в диапазоне 10-10 См/см. В одной реализации высокая и низкая удельные электропроводности промежуточного элемента 1105 принимают значения в диапазонах 10<σ<10 и10<σ<10, соответственно. Кроме того, промежуточный элемент 1105, то есть поверхностная область распорной детали 1120, в которой удельная электропроводность является более высокой, чем удельная электропроводность основной массы материала распорной детали 1120, может с выгодой быть тонким, например, иметь толщину порядка 1 мкм - 1 мм.
Фиг. 11b схематично иллюстрирует радиальное поперечное сечение одного примера распорной детали 1120, имеющей промежуточный элемент 1105. Распорная деталь 1120 имеет вогнутый цилиндрический дизайн, с центральным отверстием 1125 для прохода проводника 1110. Промежуточный элемент 1105 может, например, покрывать всю поверхность распорной детали 1120. Альтернативно могут использоваться другие геометрические формы распорной детали 1120.
В одном варианте осуществления вся распорная деталь 1120 выполнена из материала из оксида графена, где материал из оксида графена на наружной поверхности распорной детали 1120 градиентно восстанавлен для того, чтобы образовать промежуточный элемент 1105. Таким образом, рассеяние зарядов может быть достигнуто без границы разделы, то есть без соединения между различными материалами, минимизируя таким образом риск электрического отказа в материальных границах раздела. В другом варианте осуществления внешний слой материала из оксида графена расположен на поверхности распорной детали 1120, в то время как внутренняя часть распорной детали 1120 сделана из другого материала.
Выше был описан промежуточный элемент 1105, имеющий σε-градиент в направлении от поверхности распорной детали к внутренней части распорной детали. Промежуточный элемент 1105 в оборудовании газоизолированного распределительного устройства может альтернативно или дополнительно иметь σε-градиент вдоль радиуса распорной детали с целью плавного изменения электрического поля: Электрическое поле вокруг распорной детали 1120 является более высоким в непосредственной близости от проводника 1110, чем в непосредственной близости от гильзы 1115, и посредством промежуточного элемента 1105, который имеет более высокую удельную электропроводность/диэлектрическую проницаемость возле проводника 1110, чем возле гильзы 1115, электрическое поле будет сглаживаться.
На Фиг. 11a распорная деталь 1120, имеющая промежуточный элемент 1105, используется в оборудовании газоизолированного распределительного устройства. Однако распорная деталь 1120, имеющая промежуточный элемент 1105, может с выгодой использоваться также в других устройствах, включающих в себя распорную деталь, и где есть риск того, что заряды будут накапливаться на поверхности распорной детали.
Рассеивающий заряды промежуточный элемент может также использоваться в других устройствах, в которых существует риск отказа, вызванного накопленными на поверхности устройства зарядами.
2
5
8
Как было обсуждено выше, материал из оксида графена, в котором степень восстановления оксида графена изменяется по всему объему материала, является полезным во многих электрических приложениях. Электрические устройства, проиллюстрированные на Фиг. 7-11, приведены в качестве примеров, и материал с σε-градиентом может использоваться в любом типе электрического устройства, в котором градиент удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости является выгодным. Как видно из обсужденных выше примеров, разность между степенью восстановления поверхности с высокой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью промежуточного элемента из материала с σε-градиентом и степенью восстановления поверхности с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью промежуточного элемента будет варьироваться в зависимости от применения, и обозначенные выше диапазоны являются всего лишь примерами. Однако в большинстве применений разность в степени восстановления будет такова, что отношение удельной электропроводности поверхности с высокой электропроводностью к удельной электропроводности поверхности с низкой электропроводностью будет превышать 10. Во многих приложениях это отношение будет значительно более высоким, например 10 или выше, или даже 10 или выше.
Если не указано иное, приведенные выше значения удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости относятся к значениям при комнатной температуре для электрических полей с напряженностью в диапазоне 1-20 кВ/мм. Однако настоящее изобретение может использоваться при других температурах и в электрических полях с другими напряженностями.
Хотя различные аспекты настоящего изобретения изложены в приложенной формуле изобретения, другие аспекты настоящего изобретения включают в себя комбинацию любых признаков, представленных в вышеприведенном описании и/или в приложенной формуле изобретения, а не только исключительно комбинации, явно указанные в приложенной формуле изобретения.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что технология, представленная в настоящем документе, не ограничивается вариантами осуществления, раскрытыми в сопроводительных чертежах и предшествующем подробном описании, которые представлены исключительно для целей иллюстрации, но она может быть осуществлена различными способами, которые определяются следующей формулой изобретения.