BN-PVDF復合介質的電氣絕緣特性研究

商行 劉淑華 文大禹

摘 要：本研究以微米級氮化硼（BN）顆粒為改性劑，以聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物為基體材料，采用溶液涂覆法制摻雜比例分別為3%和7%的BN-PVDF復合薄膜樣品，通過電壓擊穿試驗儀進行擊穿電壓測試，利用威布爾分布法擬合實驗數據，對比分析BN摻雜含量對PVDF復合材料的電氣絕緣性能的影響規律。研究發現，3%低摻雜的復合材料擊穿場強為257.46 kV/mm，是7% BN-PVDF復合材料的直流擊穿場強值206.18kV/mm的1.25倍，提高了25%，更有益于改善復合材料的電氣絕緣性能。

關鍵詞：氮化硼;PVDF;擊穿場強

一 引言

隨著新能源的開發利用，電能轉換器件向著微型化和柔性化方向發展，越發要求其中介質材料具有更高的能量存儲密度和效率以及良好的散熱特性。尤其是聚合物電介質材料，作為固體薄膜電容器的良好媒介，其優異的介電特性、絕緣特性、儲能特性和導熱特性是介質利用的最終目標。例如，聚偏二氟乙烯（PVDF）鐵電聚合物材料，具有良好的壓電性能、介電特性、絕緣特性和易于加工等特點，已經成為儲能介質領域的典型研究材料。同時，PVDF也是一種氟基工程塑料，其穩定的化學特性和易于成膜的可塑性，可用來作為電化學儲能用電池中的隔膜材料，作為光伏太陽能電池背板絕緣介質，也可作為儲能電容器耐高壓介質材料，在新能源領域都具有廣泛的應用價值。目前，PVDF成膜的多采用溶液涂覆法，成膜的化學特性、介電特性、絕緣性能都可達到一定的應用水平。但是，對應PVDF基復合材料而言，通過摻雜高導熱填料來改善其散熱特性的同時，復合材料的絕緣特性有所下降;其絕緣性能的劣化對其在薄膜電容器中的潛在應用價值顯著降低。為此，本研究針對氮化硼（BN）改性的PVDF基復合材料，探索不同BN摻雜比例對PVDF材料絕緣性能的影響規律，指導對PVDF基復合材料的有效開發提供實驗基礎，本研究具有工程價值。

二 樣品制備與測試

樣品制備所用原材料為：PVDF（FR904）粉末，上海三愛富新材料科技有限公司產品;N，N-二甲基甲酰胺（DMF），國藥集團化學試劑有限公司產品;六方氮化硼（BN），阿拉丁試劑（上海）有限公司。

樣品制備過程：在室溫磁力攪拌狀態下，量取一定量的DMF溶劑，向其中緩慢加入一定量BN粉末，超聲攪拌振蕩30min。向上述溶液中緩慢地加入一定量PVDF粉末，攪拌6h，獲得粘稠白色混合漿液。靜置12h，將其均勻涂覆在潔凈的玻璃板上，置于80℃烘干，獲得BN-PVDF復合薄膜材料;其中，BN質量分數為3%和7%，薄膜厚度為20微米。

樣品的高壓擊穿測試過程：3% BN-PVDF復合薄膜和7% BN-PVDF復合薄膜，制作40cm40cm正方形尺寸的測試試樣。利用DDJ-50KV電壓擊穿試驗儀進行試樣在絕緣油環境下的直流擊穿測試。測試儀器設置保護電流10～15A和升壓速度為0.1kV/s。

三 結果與討論

（一） BN-PVDF復合試樣高壓直流擊穿測試數據統計

表1為兩種摻雜比例的BN-PVDF復合樣品試樣測試的直流擊穿場強實驗數據值統計。每種試樣測試前進行烘干處理后，都進行10次直流擊穿測試，分布記錄每次的擊穿時系統保存的擊穿場強數值。10次擊穿測試樣品數能夠保證后續對數據進行擬合的可信度。從表1中可以看出，3%的試樣測試數值都比7%的大，說明BN低摻雜比例下對PVDF材料的擊穿是有利的，獲得更高的瞬時擊穿場強值。另外，兩種試樣的測試數據都比較集中，說明記錄的數據可信度較高。

（二） BN摻雜量對PVDF絕緣性影響

對上述表1中兩種摻雜比例的BN-PVDF測試試樣的實驗測試值進行威布爾分布擬合，結果如圖1所示。圖1中點為試樣試驗值，直線為擬合曲線。從圖中數據點分布及擬合曲線位置可以看出，威布爾分布擬合結果與試驗測試值匹配較好。3%摻雜的試樣擊穿場強高于7%摻雜的試樣，其擬合擊穿場強分別為206.18kV/mm和257.46 kV/mm;并且，對應的擬合形狀因子值分別為27.44和20.99，說明數據點分布均勻，分散程度較低，其可靠性較高。3% BN-PVDF復合材料的直流擊穿場強值是7% BN-PVDF復合材料的直流擊穿場強值的1.25倍，說明低含量3%BN摻雜下的PVDF復合材料的擊穿場強比高含量7%摻雜的復合材料提高了25%。上述分析表明，少量BN摻雜的PVDF復合材料具有較高的直流擊穿場強，其耐受高電壓能力較強，明顯高于高摻雜下的復合材料。因此，在BN摻雜改性PVDF電氣絕緣性能時，趨于低摻雜用量能夠更有效提高復合材料的直流擊穿場強值，改善材料的電氣絕緣性能。

四 結束語

本研究對3% BN-PVDF復合材料和7% BN-PVDF復合材料進行在絕緣油環境下的高壓直流擊穿測試，研究不同摻雜比例的BN對PVDF復合材料的電氣絕緣性能的影響規律。利用威布爾分布擬合方法，分析測試實驗數據得出，3%摻雜的復合材料擊穿場強為257.46 kV/mm，是7% BN-PVDF復合材料的直流擊穿場強值206.18kV/mm的1.25倍，耐直流高壓能力提高了25%。趨于低摻雜用量能夠更有效提高BN-PVDF復合材料的直流擊穿場強值，改善材料的電氣絕緣性能。

作者簡介：商行（1990-），女，漢族，綏化學院講師，碩士，從事電氣工程領域研究。

基金項目：黑龍江省省屬高等學校基本科研業務費基礎研究項目（KYYWF10236180210）;黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（202110236023）