納米碳化硅/硅橡膠復合物介電性研究

王飛風++張沛紅++高銘澤

摘要：制備了質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%和7%的納米碳化硅/硅橡膠復合物，利用寬頻介電譜測試儀測試了不同碳化硅含量的納米碳化硅/硅橡膠復合物的介電譜特性.結果表明：納米碳化硅/硅橡膠復合物的介電常數(shù)在室溫下隨碳化硅含量的增加而增加，且在頻率小于1Hz時，復合物的介電常數(shù)小于純硅橡膠的介電常數(shù).當頻率小于50Hz時，復合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量的增加而降低，當頻率大于lkHz，復合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量的增加而增加，同時研究了納米碳化硅/硅橡膠復合物的擊穿特性，通過交流擊穿試驗可知，納米碳化硅/硅橡膠復合物的擊穿場強隨納米碳化硅含量的增加先增加后降低，當碳化硅質(zhì)量分數(shù)為3%時，擊穿場強出現(xiàn)最大值.

關鍵詞：納米碳化硅/硅橡膠復合物；介電譜特性；擊穿特性

DOI： 10.15938/j.jhust.2015.03.016

中圖分類號：TM215

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683 （2015）03-0082-04

0 引 言

納米科學技術的發(fā)展為新材料的開發(fā)和對現(xiàn)有材料的改性提供了新的思路和途徑，從20世紀90年代起，國內(nèi)外學者對納米無機物改善聚合物性能作了廣泛研究，在聚合物如聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、低密度聚乙烯、硅橡膠、聚酰亞胺等中填加納米無機物如二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鎂、碳化硅、碳納米管、蒙脫土等，與傳統(tǒng)聚合物比較，納米復合物的電、熱和機械性能有了很大的改善.

碳化硅是非線性無機材料，在均勻電場方面得到廣泛應用，在聚合物中加入納米尺度的碳化硅，可使復合物的電導率隨著場強的改變呈現(xiàn)出非線性變化，目前對納米碳化硅復合物的研究多集中于其非線性電導特性，得出納米碳化硅復合材料的電導率隨碳化硅含量的增加而增大，當外加電場達到一定值時，納米碳化硅復合材料的電導特性曲線出現(xiàn)拐點，導電機理發(fā)生改變.在同一碳化硅含量，同一電場強度下，納米碳化硅復合物的電導率大于微米碳化硅復合物的電導率，且在同一體積分數(shù)下，添加納米級碳化硅的復合物的非線性導電特性比添加微米級碳化硅的復合物要好，同時也對 晶型的納米碳化硅復合物的非線性電導特性進行對比，結果表明，當外加電場強度相等時，在相同的碳化硅含量下，β晶型的碳化硅復合物的電導率比α晶型的碳化硅復合物的電導率高幾個數(shù)量級，且β晶型復合物的非線性電導系數(shù)大約是α晶型復合物的兩倍等結論

研究表明，當納米碳化硅質(zhì)量分數(shù)達到5%以上時，納米碳化硅/硅橡膠復合物才會出現(xiàn)非線性電導特性.為了研究低的碳化硅含量對硅橡膠復合物介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切以及擊穿特性的影響，本文制備了納米碳化硅質(zhì)量分數(shù)為1%～7%納米碳化硅/硅橡膠復合物，測試了其介電譜特性和擊穿特性，得出復合物的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切隨納米碳化硅含量和頻率的變化規(guī)律，以及納米碳化硅含量對復合物擊穿特性的影響，研究表明，當納米碳化硅含量低于使其復合物出現(xiàn)非線性電導特性的含量時，碳化硅的加入，會在介質(zhì)中產(chǎn)生大量的界面，從而影響復合物的極化，使其介質(zhì)特性發(fā)生改變.

1 試樣制備

試驗用的硅橡膠為上海硅山高分子材料有限公司生產(chǎn)的室溫硫化硅橡膠，納米碳化硅為北京德科島金科技有限公司生產(chǎn)的平均粒徑40 nm的口晶型納米碳化硅.將納米碳化硅加入硅橡膠中并將硅橡膠、交聯(lián)劑和催化劑按一定比例混合，在真空干燥箱中去除氣泡固化制成試樣.分別制備了純硅橡膠和質(zhì)量分數(shù)分別為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%的納米碳化硅/硅橡膠復合物，試樣厚度0.4 mm.

2 納米碳化硅/硅橡膠復合物的介電譜特性

2.1試驗

利用寬頻介電譜儀Concept 80測試了不同含量的納米碳化硅/硅橡膠復合物的介電譜特性，試驗頻率范圍10-1 HzlO-6Hz，試驗在室溫下進行，試驗前將試樣放入干燥箱中80℃短路處理24h，以去除試樣中的水分和表面電荷.

2.2試驗結果

純硅橡膠和1%-7%納米碳化硅含量的硅橡膠復合物的介電常數(shù)與頻率的關系如圖1所示，可以看出，隨碳化硅含量的增加，復合物的介電常數(shù)呈增加趨勢，但在頻率小于1Hz時，納米碳化硅的加入減小硅橡膠復合物的介電常數(shù).

圖2為純硅橡膠和質(zhì)量分數(shù)7%納米碳化硅的硅橡膠復合物的介質(zhì)損耗角正切與頻率的關系，從圖中可以看出：①不同含量納米碳化硅/硅橡膠復合物的介質(zhì)損耗角正切都是隨著頻率的增加而降低，②當頻率大于1kHz時，復合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量的增加而增加.③當頻率小于50Hz時，復合物介質(zhì)損耗角正切隨納米碳化硅含量的增加而降低.

2.3結果分析

圖1中納米復合物的介電常數(shù)隨碳化硅含量的增加而增加，符合Lichteneker-Rother方程 式中： 為復合物介電常數(shù)； 和 分別為納米填充物和基體的介電常數(shù)； 和 分別為填充物和基體的體積分數(shù).本文中，納米碳化硅的介電常數(shù)為10，純硅橡膠的介電常數(shù)約為2.7，可知，復合物介電常數(shù)的增加是由于碳化硅材料高的介電常數(shù)，且隨碳化硅含量增加，復合物介電常數(shù)增加，

同時，復合物的介電常數(shù)取決于其極化和松弛機理，如圖3所示，不同頻率下極化機理不同.低頻下復合物的介電常數(shù)低于純硅橡膠是由于硅橡膠是極性材料，在頻率低于1z時，偶極子轉(zhuǎn)向極化作用加強，此時隨著頻率的降低，硅橡膠復合物介電常數(shù)增加，而納米碳化硅填加到硅橡膠中，減小了硅橡膠的自由體積，在一定程度上限制了復合物的偶極子轉(zhuǎn)向極化，使得低頻下納米碳化硅/硅橡膠復合物的介電常數(shù)低于純硅橡膠.

圖2中復合物的介質(zhì)損耗角正切與納米碳化硅含量和頻率的關系可解釋為：①當頻率大于l kHz時，納米復合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量增加而增加是因為在此頻率下，復合物電導損耗起主要作用，隨著碳化硅含量的增加，復合物的電導率增加.②當頻率小于50Hz時，復合物介質(zhì)損耗角正切隨納米碳化硅含量的增加而降低，是因為在低頻下，偶極子轉(zhuǎn)向極化起主要作用，由于碳化硅含量越高，偶極子轉(zhuǎn)向極化越困難，此時純硅橡膠的介質(zhì)損耗角正切最大，納米碳化硅含量越高，納米碳化硅/硅橡膠復合物的介質(zhì)損耗角正切越小.③頻率大于50Hz小于1kHz區(qū)間，是一個過渡區(qū)域，兩種機理共同作用.

3 納米碳化硅/硅橡膠復合物的擊穿特性

3.1 試樣處理與試驗方法

材料的擊穿場強是其電氣性能的重要參數(shù).本文利用CS2674C耐壓測試儀，測試了純硅橡膠和1%-7%納米碳化硅/硅橡膠復合物的擊穿場強.試驗電源電壓0-50kV，上下電極直徑分別為25mm和75mm，試驗在變壓器油中進行，采用手動升壓，升壓速度約為0.5kV/s.

3.2試驗結果

固體絕緣材料的擊穿場強受很多因素影響，是一個統(tǒng)計值，純硅橡膠和質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%納米碳化硅/硅橡膠復合物擊穿場強的威布爾分布如圖4所示，擊穿場強與納米碳化硅含量的關系如圖5所示，可以看出，復合物的擊穿場強隨碳化硅含量的增加先增加后降低.當納米碳化硅質(zhì)量分數(shù)為3%時擊穿場強達到最大值33.30 kV/mm.

3.3結果分析

納米碳化硅/硅橡膠復合物擊穿場強隨碳化硅含量的增加而增加，當碳化硅質(zhì)量分數(shù)為3%時達到最大值，這一變化規(guī)律與文的研究一致，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是復合物中加入的納米無機物限制了基體分子鏈的運動，減小了自由體積，提高了材料的固有介電強度，而當納米無機物含量繼續(xù)增加時，納米顆粒間的距離減小，甚至出現(xiàn)界面重疊現(xiàn)象，由于無機相與有機相間的界面區(qū)域使載流子運動更加容易，導致出現(xiàn)逾滲現(xiàn)象，降低了復合物的擊穿場強.

4 結 論

本文研究了質(zhì)量分數(shù)分別為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%的納米碳化硅/硅橡膠復合物的介電譜特性和擊穿特性，得到以下結論：

1）納米碳化硅/硅橡膠復合物的介電常數(shù)隨碳化硅含量的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢，但是在頻率低于1Hz時，納米碳化硅的加入降低了硅橡膠的介電常數(shù).

2）在頻率高于1kHz時，納米碳化硅/硅橡膠復合物的介質(zhì)損耗角正切隨碳化硅含量的增加而增加，在頻率低于50Hz時，復合物的介質(zhì)損耗角正切隨納米碳化硅含量增加而降低.

3）納米碳化硅/硅橡膠復合物的擊穿場強隨碳化硅含量的增加表現(xiàn)為先增加后降低，在納米碳化硅質(zhì)量分數(shù)為3%時，復合物的擊穿場強達到最大值。