高储能密度复合绝缘材料的研究.pdf

第24卷第2期电工电能新技术Vol.24,No.2
2005年4月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyApr.2005

高储能密度复合绝缘材料的研究

王珏1,王德生2,严萍1,杨士勇2,潘洋1,3,胡爱军2,张适昌1
(1中国科学院电工研究所,北京100080;2中国科学院化学研究所,北京100080;
3中国科学院研究生院,北京100039)

摘要:本文利用高性能聚酰亚胺树脂为基体材料,与不同组成、不同比例的BaTiO3粉末复合,制备

了高密度聚合物复合绝缘材料,并研究了其电性能。实验发现随着BaTiO3含量的增加,复合材料
电阻率下降,相对介电常数升高,介质损耗角正切提高。所制备的试样介电常数超过了30,直流下
击穿场强大于300kVcm。还介绍了高储能密度复合绝缘材料和固体Blumlein及其应用的现状和发
展。
关键词:高储能密度;聚酰亚胺;复合材料;固体Blumlein线;钛酸钡
中图分类号:TM855文献标识码:A文章编号:1003-3076(2005)02-0024-04

近十倍,而且稳定性增强,不需要附属设施,这对脉
1概述
冲源的小型化、实用化具有极其重要的意义,但它对
高储能密度复合绝缘材料在电力系统、脉冲功材料提出了苛刻要求。
率技术中有着广泛的应用需求。在脉冲功率技术中一般情况下,固体Blumlein线采用陶瓷材料,但
由于储能元件的储能密度低,限制了高功率脉冲电陶瓷材料加工性差,击穿场强低,使它的应用受到限
源的小型化和实用化。实现储能元件的小型化和轻制。目前主要采用纳米技术改性陶瓷材料,以增强
量化,改善材料的储能密度是关键。目前,在大多数其加工特性和击穿强度来达到使用要求。美国
场合下所用材料的储能密度与高功率脉冲电源从实Sandia国家实验室、MissouriRolla大学等研究单位都
验室走向实用的要求还有相当的距离。曾有相关的研究[2,3]。采用高介电常数复合绝缘材
高功率窄脉冲平台中Blumlein线(脉冲形成线)料为解决这个难题提供了一种思路,国内国外都有
是一个关键储能和脉冲形成部件[1]。它的长度与储相关的研究。由于高储能材料在脉冲功率技术中的
能绝缘介质的介电常数和磁导率相关,厚度主要受特殊应用,国外的相关报道比较谨慎,对材料的成
材料的绝缘性能影响。脉冲电源输出电压脉宽()分、制备方法、机理、测量条件等没有详细的介绍。
由Blumlein线材料的介电常数和磁导率决定,即:美国的PennsylvaniaState大学材料研究实验室在海
=2L()12C军办公室的支持下开展高储能密度复合材料的研
式中:L为Blumlein线的长度,、分别为材料究[4],他们将瓷粉(平均直径05m)与偏氟乙烯、三
的相对磁导率和相对介电常数,C为光速。氟乙烯的共聚物溶于甲乙酮溶液,混合后,固化制得
可见,要形成长脉冲,材料的尺寸随之增加。以介电常数=250,击穿场强E=为12MVcm(在几
脉宽50ns为例,常用的油介质Blumlein线大约要5m十m厚度的薄膜上测得)的复合材料,但在厚尺寸
长,严重限制了系统的小型化。如果材料相对介电下其击穿强度却大幅度下降,而且制造困难,不适用
常数(下文提到的介电常数均指相对介电常数)大于于固体Blumlein线。国内西安交通大学、上海交通
100,击穿场强大于400kVcm,用这种材料制作的大学等单位也研究过相关高介电常数复合绝缘材
Blumlein线与用油介质的Blumlein线相比体积减小料[5-7],研究表明,在聚乙烯中加入60%以上的

收稿日期:2004-06-24
基金项目:国家863计划资助项目;国家自然科学基金重点资助项目(50437020)
作者简介:王珏(1972-),男,浙江籍,助理研究员,硕士,研究方向为高电压绝缘及脉冲功率;
王德生(1965-),男,河南籍,副研究员,博士,研究方向为复合绝缘材料及高分子化学。
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BaTiO3(钛酸钡)微粒(微米级),复合材料的介电常10V。最高可输出1310V直流高压。样品上

数大于20;同时加入20%铝粉和40%BaTiO3微粒,的电压由静电电压表来测量,量程最高可达100kV。
复合材料的介电常数可达到40,但其击穿场强只有试验采用不对称电极系统,高压电极为25的圆柱
几十kVcm。目前主要进行对各种复合材料体系的铜电极,接地电极为75的圆台铜电极,试验采用
特性及其体系间相互作用机理的研究,但由于材料快速升压法。快速升压是指电压从零上升到击穿电
的复杂性,还没有统一的理论解释和