一、简介

与微米和纳米填料混合的聚合物的物理性能很大程度上取决于几个参数，例如两相的化学性质及其相互作用，以及用作填料的颗粒的浓度、形状、分布和分散度，通常具有更好的性能。分散导致性能增强。许多著作报道了介电性能 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 以及机械和流变性能 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 的这一规则。更具体地说，当将分散良好的 MgO 纳米颗粒掺入聚乙烯基质中时，发现可以防止空间电荷注入。9 ] ，增加电阻率 [ 10 ] ，并在一定程度上提高直流击穿强度 [ 11 ] ，而不会出现任何不可接受的介电损耗增加 [ 12 ] 。]。因此，基于 MgO 的聚合物纳米复合材料目前有望替代 XLPE 用于挤出电力电缆应用，特别是 HVDC 电缆。然而，文献中尚未解决的另一个重要方面是这些材料的耐局部放电腐蚀能力，这与高压应用非常相关。这一特性的显着改进确实可以使树状退化过程（称为电树）的起始时间得到几个数量级的改善，这是高度相关的，因为电树通常是高压应用中的主要故障机制。在这项工作中，报告了在低密度聚乙烯 (LDPE) 基质中加入 1 wt% 的 MgO 颗粒对电性能的影响。

2. 实验

2.1. 材料

所有纳米复合材料均采用未着色的LDPE粉末（无添加剂-密度：0.922 g/cm 3）和MgO纳米颗粒（1%重量-标称平均直径：30 nm）制备。纳米粒子首先在 130°C 下真空干燥 24 小时，预计不会改变表面化学性质，因为该温度远低于表面氢氧根的热分解温度 [ 10]。然后将它们超声分散在乙醇中，直至形成均匀悬浮液，随后将(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷溶液缓慢添加到悬浮液中，并将混合物在真空中于50℃搅拌48小时。将所得浆料用新鲜乙醇洗涤几次并在真空烘箱中在80℃下干燥24小时。这种类型的表面处理有望改善有机基质和无机颗粒之间的相容性，并且据报道可以改善几种金属氧化物聚烯烃复合材料的介电性能[ 13 ][ 14 ]。

纳米粒子处理后，使用传统的热混合器生产 LDPE/MgO 母料。混合温度为140℃，转速为60rpm，混合时间为30分钟。随后通过小型挤出机进行微挤出。

挤出得到的颗粒最终在140℃、10MPa的压力下压制，得到厚度为175至200μm的薄膜。通过热重分析 (TGA) 使用以下程序评估制造后的浓度：在氮气下以 20°C/min 的速率将温度从 50°C 升至 600°C，然后保持在 600°C 持续时间空气中 30 分钟。几个样品的平均残余重量列于表1中。

SEM Hitachi SU3500 用于样品的微观结构表征。通过先前描述的混合程序观察到 MgO 颗粒的合理分散和分布，如图1所示。

2.2. 实验

短期交流电介质击穿强度是通过使用由电动自耦变压器供电的 50 Hz 高压变压器组成的经典实验装置来测量的。电压上升速率固定为1 kV/s。实验设置是完全自动化的，即：当流过样品的电流达到10mA时，自耦变压器停止，然后记录相应的击穿电压。由有机玻璃制成的测量池（图2）配备有两个不锈钢电极：一个平面电极（直径：25 mm）和一个半球形电极（直径：1 mm）。将样品夹在两个电极之间，测量池中充满绝缘周围介质（电介质液体：GALDEN ©HT55）以避免任何闪络或表面介电击穿。

在击穿区域的每次实验之后估计每个样本的厚度，即：在击穿点通道周围进行四次测量以计算平均厚度。样品厚度的变化小于 50 μm。根据 IEEE std-930 [ 15 ] ，使用 Weibull 统计分析来处理记录的数据。

其中α和β分别是尺度参数和形状参数，x是击穿场。α和β是通过使用加权最小二乘回归技术获得的。由于从涉及有限数量样本的单个实验获得的估计值不太可能等于α和β的真实值，因此在给定实验数据的情况下，通过计算 90% 置信度来获得α和β的可能值范围使用[ 15 ]中描述的过程来确定边界。

寿命测量是通过施加方波脉冲电压（占空比：50%）进行的。频率从 1 kHz 调整到 20 kHz，电压调整为 ±1 kV。所有测量均在室温下进行（即：20°C；RH = 55%）。热室的精度约为±0.5℃。方波电压的上升和下降时间估计分别约为 30 和 50 kV/μs。在这些测试期间，施加的电压水平始终高于局部放电起始电压 (PDIV)，该电压在 20°C 时估计为 ±800 V。实验寿命台如图3所示。

样品已固定在接地的不锈钢板上。方波高压施加在沉积在样品表面的不锈钢球（直径：4 mm）上（图4）。自动系统检测任何样品短路，提取损坏的样品用于测试台并记录其寿命。球形电极和样品表面之间发生局部放电。由于臭氧的形成，样品表面受到离子轰击、热量和氧化，逐渐被侵蚀，直到样品最终介电击穿。由于局部放电出现在方波电压的上升和下降前沿期间，因此预计频率越高，寿命越短。

由于局部放电会在放电区域周围产生热量，因此所有样品都被放入气候室（图3左侧）中，而不是放入简单的烘箱中，以将介质温度保持在20℃。

3。结果与讨论

3.1. 介电强度
纯 LDPE 样品和纳米填充 LDPE 样品的介电强度结果。击穿时的电场可简单地计算为将击穿电压除以样品厚度。这是整个样品的平均击穿场，因为电极几何形状导致电场不均匀。对于每次击穿测试，都会检查样品，以评估击穿是通过样品发生的，而不是由于表面击穿或闪络造成的。表 2中报告的值对应于威布尔形状和尺度参数，这些参数是通过对每种材料的 8 个样品进行测量而获得的。观察到的轻微改进与文献中报告的类似测试一致[ 16 ][ 17 ]。

3.2. 抗局部放电能力

纯 LDPE 样品和纳米填充 LDPE 样品的寿命结果如图 5所示。该图中的每个点对应于从 8 个测量寿命获得的威布尔尺度参数。

3.3. 讨论

纯 LDPE 和纳米填充 LDPE 的 AC 介电强度测量显示数据非常相似，即大约 6% 的边际差异，且置信范围有重叠。正如预期的那样，图 5中报告的寿命数据清楚地表明，纳米填料的加入提高了抗局部放电能力。频率越低（即：每秒的局部放电次数越少），局部放电抵抗力的增强程度越高。这些结果表明，PE/MgO 复合材料是用于高压交流电缆绝缘的潜在有趣材料，具有改进的对缺陷引发的局部局部放电的抵抗力（即：LDPE 绝缘子老化过程中可能出现的空隙）。预计这将提高对电树的抵抗力。由于局部放电是导致聚合物电介质中电树传播以及更长起始时间的主要机制。这种行为也与文献中有关 MgO 基纳米复合材料介电性能的其他报告非常一致。作为一个例子，我们发现，在环氧树脂的情况下，随着纳米 MgO 含量在 0 至 5 wt% 范围内，漏电起痕的经过时间会增加 [ 18 ]。更完整的评论可以在有关提高聚合物纳米复合材料耐腐蚀性的文献中找到（参见[ 1 ][ 19]] 例如），这也与本报告中观察到的趋势非常一致。

4。结论

研究表明，在 LDPE 基质中加入低含量的纳米 MgO 可以改善材料的介电性能，特别是在不影响介电击穿强度等其他性能的情况下，提高抗局部放电降解能力。这一有希望的结果将得到更详尽的研究的补充，以优化 LDPE/MgO 复合材料的介电性能。填料含量的影响、颗粒尺寸和加工参数的影响将在未来的报告中进行研究和介绍。