聚乙烯陷阱特性對真空直流沿面閃絡性能的影響*

聶永杰 趙現平 李盛濤

1) (云南電網有限責任公司電力科學研究院,昆明 650217)

2) (西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,西安 710049)

本文在低密度聚乙烯(LDPE)中添加成核劑酚酞,研究半結晶聚合物的結晶行為、顯微結構、陷阱參數以及真空直流沿面閃絡性能之間的關聯.顯微紅外測試結果表明,酚酞存在于LDPE基體中.掃描電鏡及差式掃描量熱測試結果表明,酚酞摻雜明顯改變了LDPE的結晶行為及顯微結構,增加了結晶度及片晶厚度,減小了球晶尺寸,并使球晶分布更加均勻.熱刺激電流結果表明,酚酞摻雜在低密度聚乙烯中引入了更多的深陷阱,隨酚酞濃度增加,α 陷阱深度從 0.81 eV 增加到 0.99 eV,γ 陷阱深度從 0.19 eV 增加到 0.65 eV.分析LDPE結晶行為與陷阱參數之間的關系表明,LDPE的陷阱深度隨球晶尺寸減小而增大,陷阱密度隨結晶度增大而減小.酚酞改性后試樣的真空沿面閃絡電壓整體有所提升,最高提升了48.42%.分析陷阱深度及陷阱密度與閃絡電壓之間的“U”型關系表明,陷阱深度及陷阱密度在影響閃絡性能過程中起著相互協調、配合及轉化的作用.

1 引 言

固體絕緣沿面閃絡一直是高電壓與絕緣技術領域的前沿基礎問題,是發展先進輸變電裝備、脈沖功率驅動源、航天器電源系統的技術瓶頸之一.固體絕緣與真空或氣體界面上的沿面閃絡電壓比同一間隙距離固體介質或真空、氣體的擊穿電壓低幾倍到幾十倍,是電力裝備絕緣最薄弱的環節.因此,深入研究固體絕緣沿面閃絡特性和機理,提出提高固體絕緣沿面閃絡性能的理論方法,對于提高先進輸變電裝備、脈沖功率驅動源和航天器電源系統的電氣絕緣性能和運行可靠性具有重要意義.目前,在解釋真空沿面閃絡機理方面占主導地位的SEEA[1]及ETPR[2]模型認為,陰極三結合點處的初始發射電子在電場作用下會向陽極遷移,初始電子在遷移過程中會與介質表面、吸附氣體分子發生碰撞,導致電子倍增并形成電子雪崩.最終,在陰極和陽極間形成貫穿的導電通道,導致沿面閃絡的發生.研究表明[3-10],真空下的沿面閃絡過程的發展是電荷沿介質表面的輸運行為,與介質的陷阱分布特性密切相關,陷阱通過影響載流子的入陷、脫陷、復合等過程,從而影響載流子的能量與數量及碰撞電離與電子倍增過程等,最終影響閃絡性能.

大量研究表明[11-13],深陷阱可以提升絕緣介質的真空沿面閃絡性能.Shao 等[11],Li等[12]和Zhao等[13]研究了等離子體處理、電子束輻照、離子植入等表面處理方式對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環氧(EP)、聚四氟乙烯(PTFE)真空沿面閃絡特性的影響,結果表明以上表面處理方式在介質表層引入了更多的深陷阱能級,深陷阱抑制了閃絡發展過程中的二次電子倍增,提升了閃絡電壓.Chen等[14]和Li等[9,15]研究了納米電介質的真空沿面閃絡特性,認為納米摻雜引入了深陷阱,深陷阱可以捕獲二次電子,抑制了二次電子的發射和倍增,提高了閃絡電壓;而淺陷阱有利于電子的脫陷,促進二次電子的輸運和倍增,從而降低閃絡電壓.然而,也有研究表明,深陷阱有可能降低閃絡電壓,而淺陷阱會提高閃絡電壓[16,17].Zhang等[16]研究了EP表層陷阱參數與真空沿面閃絡性能之間的關系時強調了淺電子陷阱的作用,認為高密度的淺電子陷阱有助于沿面閃絡性能的提升,并且不會導致電場畸變.此外,該研究還認為空穴陷阱可以和深電子陷阱中的電子復合,從而減小電場畸變效應,促進閃絡性能的提升.Du等[17]研究了EP/BN納米復合材料的陷阱特性與直流閃絡性能的關系,認為納米BN的摻雜在復合材料表層引入了更多的深陷阱,深陷阱導致介質表層電荷積聚,從而降低直流閃絡電壓.李成榕等[18]研究了氧化鋁陶瓷的表層陷阱分布對脈沖(0.7/4 μs)閃絡電壓的影響,結果表明在陷阱深度變化不大的情況下,陷阱密度越大,表面帶電越多,沿面閃絡電壓越低.Chen等[19]研究了EP微米復合材料在納秒脈沖下的沿面閃絡特性時認為應該將深淺、陷阱對閃絡的影響作用分開考慮,并且還需要考慮陷阱密度的影響.

綜上所述,目前關于陷阱參數與真空沿面閃絡電壓之間的對應關系并沒有形成太一致的結論,其原因主要有測試材料的不一致性、陷阱表征手段的差異以及對閃絡發展過程的理解及認識不同等.另外,以上研究中并沒有區分深、淺陷阱的不同作用及陷阱密度對閃絡發展過程的影響.本文認為,絕緣介質的微觀結構影響其體陷阱特性,體陷阱特性影響介質表層的電荷輸運行為,最終影響真空沿面閃絡特性.因此,探尋一種可以控制聚合物微觀形態的方法,有助于研究聚合物材料微觀結構、陷阱特性與宏觀閃絡性能之間的關聯.本文通過在半結晶聚合物LDPE中摻雜成核劑酚酞,改變LDPE的結晶行為及顯微結構,控制其體陷阱參數,最終達到影響真空沿面閃絡性能的目的.

2 試樣制備及實驗方法

2.1 試樣制備

以LDPE為基體,酚酞粉末為添加劑,分別制備酚酞質量分數為0.03%,0.1%,0.4%,1%,5%的試樣,試樣按照濃度比例所對應的編號為LDPE-0.03,LDPE-0.1,LDPE-0.4,LDPE-1,LDPE-5.酚酞的特性如下: 白色粉末狀、粒徑約為 5 μm,分子量318,熔點262.5℃,沸點548.7℃,密度1.323g/cm3.首先,按照試樣酚酞濃度要求,分別稱量好固定質量的LDPE顆粒和酚酞粉末.隨后,將稱好的LDPE放入轉矩流變儀中在130 ℃,50 r/min 的流變轉速下攪拌 20 min.待加入的LDPE顆粒完全熔融后,加入酚酞繼續轉矩流變,30 min后停止攪拌并將混好的LDPE/酚酞復合材料取出熱壓成一定形狀的試樣,放置在空氣中自然冷卻至室溫以備測試.為了確保酚酞在LDPE中有好的分散性,本實驗中采用“母液分步稀釋法”制備含有不同濃度酚酞的復合材料.即: 先制備酚酞摻雜濃度大的試樣,然后逐步稀釋大濃度試樣得到小濃度試樣.

2.2 真空沿面閃絡性能測試

真空直流沿面閃絡電壓測試系統由直流源、平板電極系統、真空系統等組成.電極為直徑40 mm、厚10 mm的不銹鋼平板電極,測試試樣為直徑25 mm、高 5 mm 的圓柱形試樣.在整個沿面閃絡的實驗過程中,真空腔內的真空度保持在 5×10—3Pa以下.測試時,從 0 kV 均勻地增加直流電壓,直至發生閃絡時關掉直流源并記錄閃絡發生時的電壓.間隔1 min后,繼續以同一方式施加電壓直至發生閃絡.每個試樣閃絡10次,每種試樣取3片.所得的數據取平均值,即為試樣的真空直流沿面閃絡電壓.

2.3 結晶行為及顯微結構測試

采用差示掃描量熱法(DSC)測試試樣的結晶行為,獲得酚酞改性對LDPE的結晶度、熔融溫度、片晶厚度等參數的影響.整個DSC測試過程經歷兩個升溫-降溫循環,具體為: 先將試樣從室溫冷卻到—30 ℃ 保溫 5 min,然后以 10 ℃/min 的升溫速率從—30 ℃ 升溫到 170 ℃ 并保溫 10 min,之后以 10 ℃/min的降溫速率降至—30 ℃并保溫3 min,開始下一個升溫-降溫的循環.為消除試樣制備過程中的熱歷史對測試結果的影響,采用第二個循環中的DSC曲線進行數據分析.采用DSC法計算材料的結晶度時,需要確定材料升溫過程中的熔融焓,本研究中利用總熱焓法[20]計算結晶度(Xc)、熔融溫度(Tm)、片晶厚度(L)等參數.

用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測試樣的晶粒形狀及晶粒尺寸.SEM測試前,先把試樣浸在硫酸和高錳酸鉀的質量比為 20∶1的溶液中“刻蝕”30 min,之后在SEM下觀測其顯微形貌并統計球晶尺寸.本實驗中,采用數學統計的方法,通過對每種試樣約50個球晶的尺寸進行統計,計算出每種試樣的平均晶粒尺寸,計算方法如下:

式中: Di是第 i個晶粒的尺寸/μm;n 為統計的晶粒的總數量;Dn為計算出的試樣的平均球晶尺寸/μm.

2.4 熱刺激電流測試

本文采用熱刺激電流法(TSDC)提取試樣的陷阱參數,熱刺激電流測試過程中的設置條件如圖1所示.得到熱刺激電流曲線后,采用“起始上升法”[21]計算各陷阱峰對應的陷阱深度.

圖1 熱刺激電流測試過程Fig.1.TSDC testing process.

采用陷阱電荷量定量的表示陷阱密度,陷阱電荷量的計算方法如下所示[8,20]:

式中: I為試樣熱激過程中形成的電流/A;T0,T為試樣熱激時的起始溫度及實時溫度/K;β為升溫速率/℃/min;Q為陷阱電荷量(可視為陷阱密度).

3 實驗結果

3.1 顯微紅外測試結果

圖2是LDPE及LDPE-5的顯微紅外測試結果.圖2(a)中,在顯微鏡下LDPE表面隨機的選取幾個點,對該選取區域進行紅外透射掃描,得到LDPE 的紅外光譜.圖2(a)中,LDPE 試樣在 2750—3000 cm—1,1450 cm—1及 720 cm—1波數處出現較強的吸收帶及吸收峰,這主要是由于LDPE分子鏈中的C—H,C—H2及C—H3振動引起的光譜吸收.對LDPE-5試樣進行顯微觀察(圖2(b)),可以看到有較多微米級的黑點狀物質存在,對黑點狀物質進行紅外光譜掃描,得到 LDPE-5紅外光譜.LDPE-5 紅外譜圖中,在 3289—3377 cm—1波數出現苯環上的 C—H鍵伸縮振動,1730 cm—1波數出現 C=O 吸收峰,在 1500—1600 cm—1之間出現C=C吸收峰,以上結果證明了酚酞存在于LDPE基體中.

3.2 SEM及DSC測試結果

圖3是LDPE及酚酞改性試樣的SEM測試結果.可以看出,隨著酚酞含量的增加,試樣的球晶尺寸逐漸減小,并且球晶尺寸大小分布趨于均勻.統計出的球晶尺寸如表1所列.從表1中球晶尺寸數據看出,同純LDPE相比,酚酞摻雜量最大的LDPE-5試樣的球晶尺寸減小了39.7%.

對以上球晶尺寸隨酚酞含量的變化可做如下解釋: 高聚物的結晶過程由晶核的形成和晶粒的生長兩個階段構成,而晶核的形成可以分為均相成核和異相成核兩種方式.均相成核是處于無定形態的高分子由于熱漲落而形成晶核的過程,異相成核是指高分子被吸附在某種外來雜質的表面上而成核.根據以上成核過程定義,本文中純LDPE的成核過程是均相成核.對純LDPE,主要依靠LDPE分子鏈的熱漲落形成晶核,這種成核方式下形成的晶核數量相對較少,球晶將沿著這些少量的晶核生長,長大的球晶相互碰撞從而停止生長,這種方式下容易生成大球晶.正如圖3(a)所示,LDPE的球晶尺寸比較大,且晶粒分布不均.對酚酞改性的LDPE,酚酞作為成核劑使得成核方式為異相成核.LDPE 的熔點為 107 ℃,酚酞的熔點為 262 ℃ 左右,當LDPE為熔融態時,酚酞以雜質中心(結晶中心)的形式存在.在降溫結晶過程中,LDPE分子鏈將很容易在酚酞表面做有序的排列形成晶核.這種情況下,晶核數量明顯增多,生成的球晶將很快由于相互碰撞而停止生長,限制了球晶的長大,如圖3(b)—3(f)所示.因此,酚酞改性試樣的球晶尺寸隨酚酞濃度增加逐漸減小.

表1 酚酞摻雜試樣的DSC熔融溫度、結晶度、片晶厚度、球晶尺寸Table 1.DSC parameters,crystallinity,lamella thickness,spherulite size.

圖4是LDPE及酚酞改性試樣的DSC曲線.可以看出,酚酞摻雜前后,各種試樣的DSC曲線均為單一的熔融峰,峰形大致相同,只是峰的寬窄和位置發生了明顯的變化.DSC曲線中,熔融峰的寬窄表示了熔程的長短,而熔融峰的位置表示材料內結晶區域完全熔融時需要的溫度.熔程的長短和熔融峰的中心溫度取決于材料的結晶度、球晶尺寸等顯微結構.

圖4 酚酞改性試樣的 DSC 曲線Fig.4.DSC curves of phenolphthalein modified LDPE specimens.

表1是根據DSC曲線及SEM提取的各試樣的熔融溫度(Tm)、熔融焓 (ΔH)、結晶度 (Xc)、片晶厚度(L)及球晶尺寸等結晶行為與微觀結構參數.圖5是根據表1提取的結晶行為參數及顯微結構與酚酞含量的關系.可以看出,隨著酚酞摻雜含量的增加,LDPE及酚酞復合材料的結晶度先增大后減小,并在酚酞含量為0.4 wt%時達到最大值.相比LDPE,結晶度最大增大了10.89%.同時也可以看出,片晶厚度隨酚酞含量增加的變化規律與結晶度隨酚酞濃度增加的變化趨勢相同.以上結果說明,在LDPE中摻雜不同質量分數的酚酞后,明顯改變了LDPE這種半結晶聚合物材料的結晶行為,如結晶度、球晶尺寸、片晶厚度等.

圖5 酚酞摻雜對 LDPE 結晶行為的影響Fig.5.Influence of phenolphthalein modification on crystallization behavior of LDPE.

3.3 真空直流沿面閃絡特性測試結果

表2是LDPE及酚酞改性試樣的直流沿面閃絡電壓測試結果.表2表明,酚酞改性試樣的真空沿面閃絡電壓隨著酚酞濃度的增加先增大后減小,在1 wt%酚酞含量處達到最大值.六種試樣的閃絡電壓分別為 30.17,31.33,36.70,41.67,46.50,43.60 kV.同純 LDPE 相比,沿面閃絡電壓最大增長了 (LDPE-1 試樣) 48.42%.以上結果說明,酚酞摻雜可以改善LDPE半結晶聚合物的真空沿面閃絡性能.

表2 試樣的真空直流沿面閃絡電壓Table 2.DC surface flashover voltage in vacuum of specimens.

3.4 TSDC測試結果

圖6是LDPE及酚酞改性試樣的TSDC曲線.從圖6可以看出,除LDPE及LDPE-5試樣分別在低溫及高溫處的電流峰不明顯外,其余試樣的TSDC曲線都出現3個電流峰.本文中,對這3個電流峰從高溫到低溫做出了定義: 處350—370 K 區間的電流峰定義為 α 峰,處于 310—350 K之間的電流峰定義為β峰,處于250—280 K低溫段的峰稱為γ峰.可以看出,α峰有隨著酚酞濃度的增加逐漸減小的趨勢,而γ峰的峰寬和峰高隨著酚酞含量增加逐漸變大,且γ峰的峰中心溫度逐漸向高溫移動.這說明,α峰的陷阱密度有隨酚酞摻雜量的增多逐漸減小的趨勢,而γ峰所對應的陷阱深度和密度都有隨酚酞含量增多而增大.

表3是采用起始上升法對圖6中的TSDC曲線提取的陷阱參數.從表3可以看出,六種試樣的α峰的陷阱深度隨酚酞濃度的增加呈現先增大后減小的趨勢,最大陷阱深度出現在酚酞添加量為1 wt%處.β峰所對應的陷阱深度及陷阱密度隨著酚酞濃度的增加整體上變化不明顯.γ峰的陷阱深度及陷阱密度隨酚酞含量增加逐漸變大,這和TSDC圖中表現出來的電流峰中心溫度右移是一致的.以上結果說明,酚酞摻雜改變了LDPE半結晶聚合物的陷阱分布特性,增加了深陷阱(α)的深度及淺陷阱(γ)的陷阱深度及陷阱密度.

表3 酚酞改性 LDPE 試樣的陷阱參數Table 3.Trap parameters of phenolphthalein modified LDPE specimens.

圖6 TSDC 曲線Fig.6.TSDC curves of specimens.

4 討 論

4.1 半結晶聚合物顯微結構與陷阱參數的關聯

已經有較多研究者對LDPE的TSDC電流峰的起源機制做了細致的研究,其中日本Ieda等[22]對LDPE中TSDC所有電流峰給予了全面的解釋.他們在LDPE的TSDC圖譜中發現了5個電流峰,并且認為這些電流峰是由于LDPE中不同區域(晶區、非晶區)分子鏈及鏈段的運動引起.在Ieda等的關于LDPE的TSDC研究中,從低溫到高溫的五個電流峰依次命名為P1,P2,P3,P4,P5,電流峰中心溫度依次為120,160,250,300,340K.本實驗中三個電流峰從低溫到高溫依次為250,320及360K.可以看出,本實驗的α,β和γ峰的出峰位置和Ieda文獻中的P5,P4,P3峰很接近,P1,P2峰在本實驗中未出現以及其他電流峰和本實驗中電流峰中心位置的微小差異可能是由于測試的實驗條件不同引起.因此,本文用Ieda研究成果中的P5,P4,P3電流峰來解釋本實驗中α,β,γ電流峰的起源機制.

Ieda認為,陷阱的形成和聚合物中分子鏈以及鏈段的局部排列狀態相關,而TSDC電流峰是這些分子鏈的運動引起.α峰(和P5峰相對應)是由于聚乙烯晶區內分子鏈的運動引起;γ峰(和P3峰相對應)是由于非晶區的分子鏈段運動引起;β峰(和P4峰相對應)和晶區以及非晶區的界面處分子鏈段運動有關.聚合物的結晶過程可以看成是分子鏈重新排列以及排除缺陷的過程.因此,聚乙烯在摻雜酚酞后的重新結晶過程中,伴隨著球晶的形成,聚乙烯內分子鏈的排列狀態或者方式將發生變化,從而導致陷阱深度和陷阱密度也發生變化.在TSDC的升溫過程中,這些不同區域的、不同排列方式的分子鏈或者鏈段隨著溫度的升高將開始轉動(運動),從而表現出不同的電流峰.因此,TSDC圖譜中不同位置的電流峰對應著材料內不同區域內分子鏈的信息.前文已講過,結晶的過程實際上是分子鏈重新排列的過程,也是重新形成不同尺寸的球晶及不同結晶度的過程.因此,分子鏈的重新排列將影響半結晶聚合物的晶粒大小及結晶度,也將引起陷阱參數的變化.由分子鏈運動所決定的晶粒尺寸及結晶度顯微結構和陷阱參數之間應該有著一定的對應關系.圖7是LDPE球晶尺寸和陷阱深度的關系.可以看出,處于晶區的α陷阱和非晶區的γ陷阱深度都隨著LDPE晶粒尺度的增大而減小,β峰陷阱深度隨球晶尺寸增大的變化不大.

除球晶尺寸與陷阱深度有直接的關聯外,結晶度對陷阱密度也有影響.圖6中,α峰和γ峰面積隨著酚酞含量的增加分別變小和增大,這說明深陷阱(α)和淺陷阱(γ)的密度隨酚酞濃度增加逐漸減小及增大.這種變化可以由“結晶過程也是排除缺陷的過程”這一認識來解釋.酚酞摻雜后,隨著結晶度的增加,結晶更加完善,晶區的缺陷將會進一步的被排除在非晶區,這就導致了α峰對應深陷阱密度的減小和γ峰對應淺陷阱密度的增大.總體上來看(包括晶區、界面、非晶區),隨著結晶度的增大,結晶進一步完善,缺陷將進一步減少,也即TSDC釋放的總電荷量也應該隨之減少.圖8是結晶度與釋放總電荷量(陷阱密度)之間的關系,可以看出,釋放電荷總量(陷阱密度)隨著結晶度的增加而減少,實驗結果和以上分析相吻合.

圖7 LDPE 球晶尺寸與陷阱深度之間的關系Fig.7.Relationship between spherulite size and trap level of LDPE.

圖8 LDPE 結晶度與陷阱電荷量 (陷阱密度)之間的關系Fig.8.Relationship between crystallinity and trap density of LDPE.

綜合球晶尺寸與陷阱深度、結晶度與陷阱密度的關系可知,半結晶聚合物的結晶行為與陷阱參數之間有明顯的關聯,即: 陷阱深度隨球晶尺寸增大而減小 (對 LDPE,球晶尺寸從 14 μm 增加到 23 μm,陷阱深度從 0.99 eV 減小到 0.81 eV),陷阱密度隨結晶度的增加而減小 (對 LDPE,結晶度從34.51%增加到 43.25%,陷阱釋放電荷量從1404 pC 下降到 612 pC).因此,可以通過控制半結晶聚合物的晶粒尺寸、結晶度等調節陷阱參數.

4.2 陷阱參數對真空沿面閃絡電壓的影響

由SEEA[1]及ETPR[2]可知,二次電子的倍增過程對沿面閃絡的發展與形成至關重要.初始電子在電場作用下加速運動撞擊介質表面時,有可能被介質表層的陷阱捕獲,也有可能直接發生碰撞電離產生二次電子,這取決于初始電子的能量.如果初始電子或者產生的二次電子被介質表層的陷阱捕獲,那么這些電子將不能立即參與后續的碰撞電離過程,從而抑制了二次電子雪崩的發生,有利于閃絡性能的提升.因此,陷阱可以起到調制載流子在電介質表層輸運過程的作用,從而影響閃絡電壓.對于淺陷阱,電子入陷后很容易在熱的作用下脫陷,但是電子的入陷和脫陷都會損失掉一部分能量,從而減小了電子的動能,脫陷之后的電子能量減小,后續的碰撞電離不容易發生,提升了閃絡電壓.對于深陷阱,電子入陷后很難脫陷或者需要較長的時間才能脫陷,這就抑制了二次電子雪崩的發生,從而提升了閃絡性能.

表3中,當酚酞濃度小于5 wt%時,每種試樣的α陷阱深度和陷阱密度都遠大于γ陷阱深度及密度.對于低酚酞濃度摻雜試樣 (≤1 wt%),γ 陷阱深度最大為 0.28 eV,且陷阱密度很小,電子入陷后很快脫陷.所以,低酚酞濃度試樣的γ陷阱對沿面閃絡電壓影響很小.因此,當酚酞濃度在0—1 wt% 之間時,隨 α 陷阱能級增加,入陷的電子越難以脫陷,抑制了二次電子的倍增,α陷阱參數對試樣的真空沿面閃絡性能的提升起著主要作用.當酚酞濃度達到5 wt%時,α陷阱深度和陷阱密度下降幅度較大,但是沿面閃絡電壓只是輕微的下降,并沒有隨著α陷阱深度的快速下降而大幅降低,這主要是由于γ陷阱的深度和密度增長明顯.對LDPE-5試樣,深陷阱α和淺陷阱γ的陷阱深度已經區別不大,分別為 0.68 eV 及 0.65 eV,但是γ陷阱密度遠大于α陷阱密度.因此,在高酚酞濃度摻雜時(5 wt%),γ陷阱對試樣的真空沿面閃絡性能起主要的影響.從以上分析可以看出,陷阱的深度、密度在調控聚合物絕緣材料的真空沿面閃絡電壓時是相互配合與轉化的.

圖9是本研究得出的陷阱參數與真空直流沿面閃絡電壓之間的“U”型關系(圖中數據點旁邊的標出的數據是該試樣所對應的陷阱參數),證明了陷阱深度及陷阱密度在調節閃絡電壓時相互轉化和配合的作用.圖9(a)為真空沿面閃絡電壓與陷阱深度及陷阱密度之間的關系,閃絡電壓隨著陷阱深度及密度的增加先下降后上升.但這并不意味著以上變化趨勢是“單獨”的陷阱深度或者陷阱密度作用的結果,而恰恰是兩者共同作用的體現,需要結合每個數據點所對應的陷阱深度及陷阱密度同時分析.圖9(b)是總結陷阱深度及密度對閃絡電壓的關系后得出的深、淺陷阱及其密度與閃絡電壓的關系.在圖9(b)左半區域,沿面閃絡電壓隨陷阱深度減小而增加,這是因為陷阱深度減小時對應的陷阱密度增大(圖9(b)中數據點旁邊所標的數據),大量的淺陷阱對閃絡的提升起到調節作用.在右半區域,閃絡電壓隨陷阱深度的增大而增大,逐漸增加的陷阱深度對應相對較小的陷阱密度(數據點旁邊所標的數據),陷阱深度對閃絡的提升起到主要的調節作用.以上結果表明,陷阱的深度、密度在調節閃絡電壓時起到相互轉換、配合的作用,即:相對少量的深陷阱及大量的淺陷阱都能提升沿面閃絡電壓.陷阱較深時,深陷阱長時間地捕獲載流子,使得載流子很難脫陷,不能參與后續的碰撞電離過程,從而抑制了二次電子的倍增,提升了沿面閃絡性能.例如,當陷阱深度從 0.81 eV逐漸增加0.99 eV,對應試樣從純LDPE到酚酞濃增加到1 wt% 時,直流沿面閃絡電壓增加 48.42%.當陷阱較淺時(0.68 eV),雖然不能像深陷阱那樣長時間的捕獲載流子,但是大量的淺陷阱可以明顯地影響載流子的輸運,整體上減少電子的動能,抑制碰撞電離的發生,提升沿面閃絡電壓.

圖9 陷阱參數與真空沿面閃絡電壓之間的關系 (a)陷阱深度、陷阱密度與閃絡電壓的關系;(b)陷阱對直流閃絡電壓的影響Fig.9.Relationship between trap parameters and surface flashover performance: (a) Trap depth,trap density and surface flashover voltage;(b) trap and surface flashover voltage.

5 結 論

1) 改變半結晶聚合物的顯微結構及結晶行為,將影響體陷阱分布特性.對半結晶聚合物LDPE而言,陷阱深度隨球晶尺寸減小而增大,陷阱密度隨結晶度增大而減小.

2) 酚酞改性提升了LDPE的真空沿面閃絡電壓,當酚酞濃度為 1 wt% 時,最大提升了 48.42%.

3) 真空沿面閃絡電壓與陷阱深度及陷阱密度存在“U”型關系,即: 陷阱深度及陷阱密度在影響閃絡性能過程中起著相互協調、配合及轉化的作用.當陷阱密度較小而陷阱深度較大時(酚酞濃度≤ 1 wt%),陷阱深度對沿面閃絡電壓的提升起主要作用;當陷阱深度較小而陷阱密度較大時(5 wt%試樣),陷阱密度對閃絡電壓起主要作用,陷阱密度越大,閃絡電壓越高.