摘要: 聚酰亚胺（PI）薄膜以其良好的电气性能、机械性能和理化性能，成为复杂环境下电子元件和电力设备的理想绝缘材料，被广泛应用于各种电气和电子工程领域。但在实际应用中，PI薄膜在强电场下容易积聚电荷并引发电场畸变，导致绝缘材料发生击穿，这严重... 展开 聚酰亚胺（PI）薄膜以其良好的电气性能、机械性能和理化性能，成为复杂环境下电子元件和电力设备的理想绝缘材料，被广泛应用于各种电气和电子工程领域。但在实际应用中，PI薄膜在强电场下容易积聚电荷并引发电场畸变，导致绝缘材料发生击穿，这严重制约了其在高压电力设备等领域的应用。纳米改性技术的发展和应用为解决此类问题提供了新思路，但纳米改性对其内部影响机理尚不明确，仍需深入研究。 本文以提高PI薄膜各项性能指标、延长电力设备的使用寿命为目标，采用纳米改性技术制备了不同质量分数的纳米SiO2和Al2O3改性PI薄膜，依次搭建了介电特性测试平台、基于电声脉冲法的空间电荷测试平台以及交直流击穿测试平台，探究了不同纳米粒子种类和含量对改性PI薄膜介电和电导特性的影响，并分析了强电场下其空间电荷和电场强度分布特性，揭示了纳米改性对PI薄膜空间电荷的作用机理。最后，测试了不同纳米改性PI薄膜的交直流击穿场强，分析了纳米改性对其击穿特性的影响。主要结论如下： （1）PI薄膜引入纳米SiO2和Al2O3粒子后，两种改性PI薄膜的相对介电常数和电导率均增大。在改性PI薄膜中，当纳米含量为5wt%时，两种改性PI薄膜的相对介电常数最小、电导率最大。这与纳米粒子和PI基体的相对介电常数、电导率的大小、PI基体内部缺陷、载流子的数量、电荷的迁移和输运等因素息息相关。 （2）引入适量的纳米SiO2或Al2O3粒子在一定程度上可以抑制PI薄膜内部空间电荷注入和积聚，优化薄膜内部电场分布，降低薄膜对应电场畸变率。对于纳米SiO2和Al2O3改性PI薄膜，含量分别为5wt%和7wt%时，改性效果最佳。这是因为纳米粒子和PI薄膜基体的兼容性达到最佳时，纳米粒子在薄膜内部均匀分散，形成最为均匀的陷阱结构；此时基体内部的载流子小部分被深陷阱俘获，另外大部分沿着陷阱结构继续迁移，导致载流子在PI基体内部的迁移率增大，抑制其内部空间电荷的积聚，减少因空间电荷积聚造成的电场畸变，使得其内部电场强度分布更加均匀。 （3）通过测试不同类型PI薄膜的交直流击穿场强，发现随着纳米粒子含量的增加，改性PI薄膜的交直流击穿场强先增大后减小，并且当添加量为5wt%时，其值达到最大。相比于未改性PI薄膜，5wt%的纳米SiO2改性PI薄膜的交直流击穿场强提高率分别为20.28%和18.42%，而5wt%的纳米Al2O3改性PI薄膜则分别为27.24%和20.05%。这是因为引入纳米粒子改善了PI基体内部的陷阱结构，减少了因电荷积聚造成的电场集中和热量产生，提高了击穿场强。 收起