1、聚合物微觀特性與絕緣擊穿電壓的關(guān)聯(lián)

聚合物材料優(yōu)異的綜合性能，使其在高壓電氣設(shè)備的絕緣領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用（如圖1所示）。但由于絕緣材料長(zhǎng)期承受的強(qiáng)電場(chǎng)作用，絕緣體易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷甚至導(dǎo)致介電擊穿等災(zāi)難性故障。其擊穿過(guò)程主要受到內(nèi)部因素和外部因素的影響，其中，外部因素與放電過(guò)程所處的環(huán)境密切相關(guān)，主要包括：電極形狀、濕度、溫度以及加壓時(shí)間等，而內(nèi)部因素則是影響聚合物絕緣擊穿電壓的關(guān)鍵，主要包括載流子陷阱、自由體積和阻擋效應(yīng)。下文主要圍繞影響聚合物擊穿過(guò)程的內(nèi)部因素展開(kāi)討論。

1.1載流子陷阱

根據(jù)固體能帶理論中的局域態(tài)結(jié)構(gòu)模型，在特定能量的束縛作用下，聚合物禁帶寬度中的某些位置存在許多具有特定能量的電子態(tài)，這些電子態(tài)的能級(jí)與周圍帶隙有所不同，使得其對(duì)載流子具有特殊作用力，也就是所謂的陷阱效應(yīng)，是影響聚合物電荷輸運(yùn)特性的重要因素。

尤其在納米復(fù)合材料中，陷阱效應(yīng)更為明顯，根據(jù)多區(qū)域結(jié)構(gòu)模型，納米顆粒和聚合物交界面處存在鍵合區(qū)、過(guò)渡區(qū)和正常區(qū)三種不同區(qū)域，而其中的鍵合區(qū)對(duì)聚合物的絕緣特性起著決定性作用。在鍵合區(qū)中，由于無(wú)機(jī)填料與有機(jī)基體間費(fèi)米能級(jí)的差異，形成的斯特恩(Stern)層中存在大量的局域態(tài)，可以捕獲載流子起到陷阱作用。陷阱參數(shù)可由熱刺激去極化電流(Thermallystimulateddepolarizationcurrent，TSDC)測(cè)試得出。如吳旭輝等人將氧化鋁(Al2O3)改性后與PI復(fù)合，通過(guò)TSDC測(cè)試了復(fù)合薄膜陷阱特性的變化，發(fā)現(xiàn)等離子改性后復(fù)合薄膜的TSDC曲線弛豫峰增大，向高溫區(qū)移動(dòng)，表明聚合物陷阱的深度與密度同時(shí)增大，同時(shí)對(duì)應(yīng)的是擊穿場(chǎng)強(qiáng)的增大。值得注意的是，聚合物中的深陷阱因其強(qiáng)大的靜電勢(shì)作用，可捕獲載流子，增強(qiáng)聚合物的絕緣強(qiáng)度，而淺陷阱則會(huì)增大其載流子遷移率，對(duì)絕緣起到負(fù)面作用。為了研究深淺陷阱的綜合作用，Ru等人定義了平均陷阱深度uav描述納米復(fù)合材料的整體陷阱特性(見(jiàn)式(1))，發(fā)現(xiàn)在鈦酸鋇(BaTiO3，BT)/PI復(fù)合材料中uav與絕緣擊穿電壓呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，如圖2所示，并且當(dāng)BT含量為0.05wt%時(shí)，復(fù)合薄膜的平均陷阱能級(jí)與絕緣擊穿電壓均達(dá)到最大值。

式中，uav是平均電子陷阱深度；ua(s)和ua(d)分別代表深陷阱和淺陷阱的深度；Nt(s)、Nt(d)則表示深陷阱和淺陷阱的密度。

部分研究表明，聚合物中的帶隙寬度也可影響其陷阱特性。Ding等人通過(guò)原位聚合法，將不同帶隙寬度的納米填料(包括Al2O3、HfO2、TiO2和BN納米片)分別與PI基體復(fù)合，探究了復(fù)合材料絕緣特性的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，具有最大帶隙寬度的Al2O3可在PI基體中誘導(dǎo)大量的深陷阱，顯著降低聚合物的泄漏電流并增強(qiáng)其絕緣擊穿電壓。Kotaro等人通過(guò)密度泛函理論計(jì)算出了環(huán)氧樹(shù)脂(EP)/富勒烯復(fù)合材料的帶隙變化與絕緣擊穿電壓間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)富勒烯的加入改變了復(fù)合材料的帶隙寬度，并且富勒烯的局域態(tài)能級(jí)作為電子和空穴陷阱，可抑制電子崩的發(fā)展，使復(fù)合材料的絕緣擊穿電壓較純EP提升了32%。

通常認(rèn)為聚合物中的深陷阱可捕獲電極的注入電荷，被捕獲的電荷在電極表面形成反向獨(dú)立電場(chǎng)Fi，如式(2)所示，由于同極性電荷的排斥作用，入陷電荷所形成的電場(chǎng)與外部電場(chǎng)方向相反，在電極界面處形成阻塞效應(yīng)，減小了聚合物內(nèi)部空間電荷積聚引發(fā)的電場(chǎng)畸變，進(jìn)而提升其擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

式中，Qt是陷阱所捕獲的電荷總量，可由TSDC測(cè)試得出，e0為真空介電常數(shù)，x0為入陷電荷的電荷中心位置，d為試樣的厚度。

為了驗(yàn)證陷阱的空間電荷抑制作用，Dang等人研究了富勒烯(C60)與聚丙烯(PP)共混后其空間電荷和絕緣強(qiáng)度的變化，脈沖電聲法的測(cè)試結(jié)果表明聚合物內(nèi)的空間電荷積聚顯著減少，可以推測(cè)出是由于C60的高電子親和力在PP和C60界面處產(chǎn)生的大量深陷阱所造成的阻塞效應(yīng)，且復(fù)合薄膜的絕緣擊穿電壓較純PP提升了21%。需要指出的是，雖然大量的研究都表明陷阱特性是影響電介質(zhì)絕緣擊穿電壓的重要因素，但都是對(duì)其關(guān)系的定性描述，如何量化陷阱參數(shù)與絕緣擊穿電壓間的關(guān)系，還需要對(duì)兩者間的變化機(jī)制做進(jìn)一步研究。

1.2自由體積

自由體積指聚合物無(wú)定形區(qū)域中的“孔穴"部分，是大分子鏈斷運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所，也是聚合物的一種本征缺陷。在早期研究中，Sabuni通過(guò)X射線測(cè)量了增塑劑對(duì)聚苯乙烯鏈間距的影響，發(fā)現(xiàn)了聚合物結(jié)構(gòu)的“松散性"與其絕緣擊穿電壓具有很強(qiáng)的相關(guān)性。隨后，Artbauer等人提出了自由體積擊穿的概念，將聚合物中的自由體積與電子穿過(guò)勢(shì)壘所需要的能量聯(lián)系起來(lái)。Li等人認(rèn)為在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，載流子在自由體積中可獲得最大加速度，當(dāng)電子的

速度超過(guò)閾值，也就是其能量高于勢(shì)壘時(shí)，電子會(huì)越過(guò)勢(shì)壘造成局部電流劇增，聚合物瞬間產(chǎn)生巨大的熱量，導(dǎo)致絕緣擊穿(如圖3所示)。

其擊穿判據(jù)可由式(3)表示。

為了研究納米填料對(duì)聚合物自由體積的影響，Yang等人制備了鈦酸鋇-氮化硼納米片/聚偏二氟乙烯(BTO-BNNS/PVDF)三元復(fù)合薄膜，并采用PALS研究了自由體積孔徑的變化，發(fā)現(xiàn)復(fù)合薄膜中自由體積的孔徑與BTO的含量呈正相關(guān)的關(guān)系，但當(dāng)BNNS加入后，自由體積孔徑先減小，然后增大，并且復(fù)合薄膜的絕緣擊穿電壓也隨著BNNS的引入和自由體積孔徑的減小而增加[33]。此外，Wang團(tuán)隊(duì)對(duì)納米氧化鋅(ZnO)/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料中氧化鋅含量、自由體積以及絕緣擊穿電壓間的關(guān)系進(jìn)行了深入剖析，發(fā)現(xiàn)在較低的填充量下，納米粒子的極限效應(yīng)可以減少?gòu)?fù)合材料中非晶區(qū)的陷阱數(shù)量，并且其與聚合物鏈段之間的相互作用可限制分子鏈的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而降低材料的自由體積濃度，在與載流子陷阱的共同作用下，當(dāng)ZnO含量為1wt%時(shí)，復(fù)合薄膜的絕緣擊穿電壓達(dá)到峰值，較純環(huán)氧樹(shù)脂提升了15.6%。但需要注意的是，并非所有納米粒子都可改變聚合物自由體積濃度，李盛濤等人在聚丙烯-氧化鋁復(fù)合體系中發(fā)現(xiàn)，聚合物的自由體積并沒(méi)有隨著氧化鋁的添加而發(fā)生顯著變化[27]。此外，J.KeithNelson等人通過(guò)對(duì)幾種基于二氧化硅納米復(fù)合材料的自由體積測(cè)試中也有類似發(fā)現(xiàn)，即納米粒子對(duì)聚合物的自由體積并不構(gòu)成影響[32]?？傊?，納米顆粒與自由體積間究竟有何聯(lián)系，時(shí)至今日還不清楚，且自由體積與絕緣擊穿電壓間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制仍要做進(jìn)一步的深入研究。

1.3阻擋效應(yīng)

聚合物內(nèi)的非均勻區(qū)域在高壓作用下易引起局部電場(chǎng)畸變，導(dǎo)致局部放電。當(dāng)局放發(fā)展到一定程度會(huì)后出現(xiàn)樹(shù)枝狀的導(dǎo)電通道，電樹(shù)枝的出現(xiàn)是聚合物預(yù)擊穿的最主要特征之一。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在聚合物內(nèi)引入阻擋層可以阻礙電樹(shù)的形成和發(fā)展，從而延緩絕緣介質(zhì)的擊穿時(shí)間，提升絕緣擊穿電壓。由于納米粒子耐電侵蝕能力較強(qiáng)，所以一般納米復(fù)合電介質(zhì)材料中有較為明顯的阻擋效應(yīng)。此外，在一些多層結(jié)構(gòu)中，由于夾層處勢(shì)壘的差異，使得電樹(shù)沿界面切向傳播，也能形成一定的阻擋效應(yīng)。

張曉虹等為了改善低密度聚乙烯(LDPE)的電樹(shù)枝耐受性，以脫蒙土(MMT)和二氧化硅(SiO2)為填料，通過(guò)熔融共混法制備了MMT-SiO2/LDPE三元復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)SiO2所形成的致密小晶體可與片狀MMT協(xié)同作用形成強(qiáng)大的阻擋層，電樹(shù)枝難以穿透阻擋層轉(zhuǎn)而向切向方向生長(zhǎng)，從而提升了復(fù)合材料的耐電樹(shù)枝性能。此外，Samant等人通過(guò)冷區(qū)退火-軟剪切法，制作出了高度有序的多層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，歸因于多層結(jié)構(gòu)的阻擋效應(yīng)使電樹(shù)枝的發(fā)展路徑更為曲折(如圖4所示)，復(fù)合薄膜的絕緣擊穿電壓較普通層狀結(jié)構(gòu)提升了50%。為了確定多層復(fù)合薄膜中具有最大絕緣擊穿電壓的阻擋層的臨界厚度，Zhou等人制作了總厚度不變但層數(shù)和厚度不同的聚碳酸酯/聚偏氟乙烯復(fù)合材料，研究了薄膜從20nm到5mm的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最佳厚度為160nm時(shí)，復(fù)合薄膜的絕緣擊穿電壓達(dá)到最大值，通過(guò)均勻控制層厚度和擊穿成像進(jìn)一步驗(yàn)證了電樹(shù)枝在擊穿過(guò)程中的橫向傳播可以使絕緣擊穿電壓大幅提升。

2、PI復(fù)合電介質(zhì)材料絕緣擊穿電壓強(qiáng)度特性

2.1PI/無(wú)機(jī)復(fù)合電介質(zhì)材料

向聚酰亞胺基體中摻雜無(wú)機(jī)納米顆粒，通過(guò)改變納米粒子的結(jié)構(gòu)、含量等進(jìn)而優(yōu)化聚合物的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，可獲得介電強(qiáng)度更為優(yōu)異的復(fù)合材料?，F(xiàn)階段常用的納米粒子分散技術(shù)有共混法(溶液共混法、熔融共混法與機(jī)械共混法等)、溶膠-凝膠法、原位聚合法等均能獲得較好的分散效果，使材料的絕緣特性得到顯著提升。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，一維填料具有較高的比表面積，界面效應(yīng)更顯著，且由于其具有更大的縱橫比，也可起到一定的阻擋效應(yīng)，對(duì)提升聚合物的絕緣強(qiáng)度能起到積極作用。WAN等通過(guò)溶液共混法將鈦酸鋇納米纖維引入到聚酰亞胺基體中，并系統(tǒng)研究了復(fù)合材料的表面形貌與介電強(qiáng)度間的聯(lián)系，從雙電層模型分析得出，由于纖維填料與PI界面之間費(fèi)米能級(jí)的差異，大量電荷黏附于填料表面，如圖5所示，在電荷間的靜電作用下，載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，遷移路徑變長(zhǎng)，使得復(fù)合薄膜在納米纖維含量較低的情況下仍能保持較好的絕緣擊穿電壓。此外，對(duì)納米纖維進(jìn)行表面改性，增加其與PI基體間的相容性，也是提高PI絕緣擊穿電壓的重要手段。由此，Wang等采用靜電紡絲法獲得了一維核殼結(jié)構(gòu)鈦酸鋇-二氧化鋯(BT@ZrO2)納米纖維，并制備了BT@ZrO2/PI復(fù)合材料，其絕緣擊穿電壓較純PI提升了19%，通過(guò)有限元仿真得出，表面改性后的BT納米纖維表面處的電場(chǎng)畸變顯著降低，且由于其大縱橫比的形狀可改變載流子遷移路徑，使得復(fù)合薄膜絕緣擊穿電壓進(jìn)一步提升。

Zhao等人通過(guò)水熱法合成了超長(zhǎng)碳納米管(TNs)，并將其引入聚酰亞胺中獲得了TNs/PI復(fù)合薄膜，發(fā)現(xiàn)與普通一維填料相比，超長(zhǎng)TNs具有更大的縱橫比，可以延長(zhǎng)載流子的遷移路徑，并且TNs與PI基體形成強(qiáng)大的界面耦合作用，在極低含量下(＜0.25wt%)，TNs能限制聚合物在應(yīng)力作用下的運(yùn)動(dòng)和變形，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度、介電強(qiáng)度的協(xié)同提升。

隨著二維納米填料制備技術(shù)的發(fā)展和性能的提高，其更大的表面所形成的阻擋效應(yīng)可有效延長(zhǎng)電樹(shù)的生長(zhǎng)路徑，從而增加絕緣的擊穿時(shí)間與擊穿場(chǎng)強(qiáng)。因此，二維填料也逐漸成為聚酰亞胺復(fù)合材料中摻雜劑的新選擇。

朱聰聰?shù)热死迷痪酆戏?，制備不同組分的二氧化鈦納米片(TNSs)/PI復(fù)合薄膜，詳細(xì)研究了TNSs對(duì)聚合物介電強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)TNSs表面的羥基與PI分子鏈中氧原子形成的氫鍵極大的增強(qiáng)了兩者的相容性，且由于TNSs的阻擋作用，復(fù)合薄膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較純PI提升了9.4%。此外，六方氮化硼(h-BN)作為一種典型的石墨結(jié)構(gòu)的二維陶瓷材料，其二維共軛層具有優(yōu)異的本征熱導(dǎo)系數(shù)與絕緣強(qiáng)度，也成為了研究者們進(jìn)行納米改性的熱門選擇對(duì)象。Zhao等人發(fā)現(xiàn)將氮化硼引入氮化鋁(AlN)/PI的復(fù)合體系中，可以提升復(fù)合薄膜在電場(chǎng)中的穩(wěn)定性[49]，原因是BN納米片可有效防止高場(chǎng)下C-N-C和C-O-C鍵的斷裂，并能通過(guò)自氧化反應(yīng)加速納米粒子的暴露，起到對(duì)外電子的散射作用，從而增加復(fù)合材薄膜的耐電暈特性，且由于BN納米片可以延長(zhǎng)電樹(shù)枝的破壞路徑，實(shí)現(xiàn)了耐電暈性能與介電強(qiáng)度的雙向提高，如圖6所示。

傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)納米顆粒引入到聚合物基體中或許可以提升復(fù)合材料的絕緣強(qiáng)度，但單純的物理混合往往導(dǎo)致填料與基體的結(jié)合性較差，通常會(huì)伴隨著機(jī)械性能的下降。因此，為了獲得優(yōu)異的電擊穿性能的同時(shí)，保留復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度。Li等人將有機(jī)金屬骨架(ZIF-8)作為填料與聚酰亞胺復(fù)合，利用ZIF-8上的不飽和活性基團(tuán)與PI相結(jié)合形成的三維多位點(diǎn)鍵合網(wǎng)絡(luò)，可分散和均化施加到復(fù)合薄膜的應(yīng)力作用，大幅度提升了其拉伸強(qiáng)度，同時(shí)保持了優(yōu)異的柔韌性，從分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算得出，ZIF-8誘導(dǎo)的多位點(diǎn)鍵合網(wǎng)絡(luò)在電場(chǎng)作用下能保持更大的帶隙寬度，抑制高電場(chǎng)下的電子激發(fā)，起到了降低材料的導(dǎo)電性的效果，如圖7所示。

此外，核-殼結(jié)構(gòu)的納米填料與基體間的介電性能具有良好的匹配性，在電場(chǎng)作用下不易出現(xiàn)相分離現(xiàn)象?；诖耍?/span>Duan等人以核-雙殼結(jié)構(gòu)的F-BA(由氮化硼和聚多巴胺包覆的球形氧化鋁組成)為填料，制備了具有三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)和高絕緣擊穿電壓的聚酰亞胺復(fù)合材料(如圖8所示)，發(fā)現(xiàn)隨著F-BA含量增加，聚酰亞胺中生成明顯的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合薄膜的導(dǎo)熱性能顯著提升，且由于官能化的F-BA顆?？梢愿纳婆cPI基體間的界面相容性，抑制內(nèi)部泄漏電流，電氣絕緣強(qiáng)度相較于純PI提升68%，并能保持良好的力學(xué)性能。

2.2PI全有機(jī)復(fù)合電介質(zhì)材料

以不同形狀和結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)納米粒子為填料是研究者們提高聚合物介電強(qiáng)度的常用手段，但由于無(wú)機(jī)填料成本高，合成與分散過(guò)程較為復(fù)雜，且其與基體間的相容性差，當(dāng)填料含量較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的相分離現(xiàn)象，尤其經(jīng)過(guò)環(huán)境老化后，材料的力學(xué)性能和絕緣性能通常會(huì)出現(xiàn)顯著下降。近年來(lái)，為了最大限度地提高電介質(zhì)元件間的相容性，研究者們提出了全有機(jī)復(fù)合材料的概念，試圖通過(guò)與聚酰亞胺性質(zhì)相似的聚合物共混或接枝，制備新型的聚酰亞胺復(fù)合材料。

聚硫脲(ArPTU)和聚酰亞胺都是具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的無(wú)定形極性聚合物，此外，ArPTU本身較高的偶極矩與介電強(qiáng)度也使其成為了目前重點(diǎn)研究的工程材料之一，但由于ArPTU在室溫下具有脆性，限制了其在薄膜電容器領(lǐng)域的應(yīng)用?？紤]到性質(zhì)相似的聚酰亞胺的高韌性可以與之互補(bǔ)，Ahmad等人采用簡(jiǎn)單有效的溶液澆鑄共混法，將ArPTU填充到PI中，制備了ArPTU/PI共混膜，發(fā)現(xiàn)兩者間能保持良好的相容性，當(dāng)ArPTU含量為10wt%時(shí)，ArPTU本身的大偶極矩所誘導(dǎo)的深陷阱可有效降低載流子遷移率，使得共混膜的絕緣擊穿電壓較純PI提升74%，并能保持PI本身優(yōu)異的熱學(xué)性能與力學(xué)性能。除ArPTU外，聚丙烯腈(PAN)、聚芳醚脲(PEEU)等其它線性極性聚合物由于其本身的高介電強(qiáng)度也受到了研究者們的青睞。為此，Ahmad通過(guò)溶液澆鑄法制備了PEEU/PI共混膜，克服了PEEU柔韌性差的缺陷，由于在PI基體中引入了更多的絕緣組分，共混膜中的絕緣擊穿電壓較純PI提升了94%。

傳統(tǒng)的溶液共混法仍會(huì)因?yàn)楣不旖M分分布不均勻，使得介電損耗增大，并可能導(dǎo)致介電強(qiáng)度大幅度下降。為了克服兩相不均勻混合的困難，Liao等人通過(guò)原位縮聚法，獲得了聚丙烯腈(PAN)與聚酰胺酸(PAA)的混合溶液，隨后通過(guò)熱亞胺化制備了一種具有共軛梯形結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜(PcLS/PI)，發(fā)現(xiàn)PAN含量為20wt%時(shí)，聚合物具有最為均勻、致密的分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)絕緣擊穿電壓達(dá)到峰值，當(dāng)PAN含量繼續(xù)增大，聚合物中共軛結(jié)構(gòu)占比也逐漸增高，電子云大量重疊使得載流子遷移率增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)逐漸下降。可見(jiàn)聚合物內(nèi)分子鏈堆積密度也對(duì)絕緣性能有著一定的影響?？紤]到離域電子的正負(fù)性會(huì)隨著分子鏈結(jié)構(gòu)的變化而變化，Zhang等人利用了這種鏈間的靜電作用，通過(guò)適當(dāng)匹配的聚合物共混，減小了分子鏈間的平均距離，獲得緊密堆砌鏈結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺/聚醚酰亞胺(PI/PEI)共混物(如圖9所示)，50/50的PI/PEI共混膜室溫下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到1MV/mm，更難得的是在200°C的高溫下仍可保持550kV/mm的優(yōu)異性能。

此外，研究者們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)多層、中間層、梯度結(jié)構(gòu)、三明治結(jié)構(gòu)等方法控制各相聚合物間的排列次序，以達(dá)到強(qiáng)絕緣的目的，但其中線性層(L層)和非線性層(N層)之間介電常數(shù)和介電強(qiáng)度的差異，會(huì)導(dǎo)致在夾層處出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變電場(chǎng)，降低復(fù)合材料的絕緣擊穿電壓。為了優(yōu)化LN層結(jié)構(gòu)間的畸變電場(chǎng)，Sun等人分別采用聚醚酰亞胺(PEI)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-HFP))作為L層和N層，并在L層與N層間引入了以PEI/P(VDF-HFP)為共混材料的過(guò)渡層(T層)，獲得了三層不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的全有機(jī)復(fù)合薄膜(如圖10所示)。利用T層的均化電場(chǎng)特性，將集中在L層的電壓分?jǐn)偟?/span>T層與N層上，從而削弱了夾層電場(chǎng)畸變，LTN結(jié)構(gòu)起到對(duì)熱電子的阻擋作用，能進(jìn)一步提高復(fù)合薄膜的絕緣擊穿電壓。

3絕緣特性研究所存在的問(wèn)題

3.1擊穿機(jī)理不清晰

對(duì)聚合物的動(dòng)態(tài)擊穿過(guò)程仍缺乏深入認(rèn)知，目前大部分學(xué)者仍是針對(duì)擊穿前后的聚合物狀態(tài)進(jìn)行研究，擊穿瞬間的空間電荷、電導(dǎo)、陷阱以及自由體積等各項(xiàng)參數(shù)的變化及其相互間的耦合關(guān)系仍需要進(jìn)一步探索，且各項(xiàng)參數(shù)與絕緣擊穿電壓仍停留在定性分析階段，如何從定性分析轉(zhuǎn)向定量分析，是學(xué)者們需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

3.2反映絕緣特性的表征手段不足

如何準(zhǔn)確表征在復(fù)雜環(huán)境下絕緣材料特征參數(shù)，如擊穿瞬間聚合物本征參數(shù)的變化，也是學(xué)者們需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。目前關(guān)于聚合物的一些重要參數(shù)，如陷阱、空間電荷等的傳統(tǒng)測(cè)試手段已經(jīng)不能滿足學(xué)者們的研究需求，在不同溫度、不同應(yīng)力，甚至在電力設(shè)備運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試與表征，是制約我們深入研究聚合物擊穿機(jī)制的一大難題。

3.3缺乏在特殊工況下的應(yīng)用研究

目前，研究者們對(duì)聚合物絕緣擊穿電壓的研究大多集中于本征特性，缺乏對(duì)外部因素如高溫、高濕度、高鹽霧以及機(jī)械作用力等復(fù)雜工況的考量，以至于新型材料始終停留在實(shí)驗(yàn)室階段，得不到大范圍推廣。電力設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中往往會(huì)受到復(fù)雜的環(huán)境作用力，如何在環(huán)境與內(nèi)部因素協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)絕緣強(qiáng)度的穩(wěn)定提升仍需要進(jìn)一步深入研究。

4結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)上述研究現(xiàn)狀的分析，目前新型強(qiáng)絕緣聚酰亞胺復(fù)合電介質(zhì)材料的研究工作已取得了很大進(jìn)展，但大部分仍以犧牲某種性能為代價(jià)，無(wú)法做到在平衡各方面性能的同時(shí)強(qiáng)化其絕緣特性，距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定差距。尤其是新型電力系統(tǒng)的建設(shè)需要高比例新能源的接入，部分電氣設(shè)備需要在高海拔地區(qū)、海洋地區(qū)以及沙漠地區(qū)等特殊環(huán)境下運(yùn)行，承受惡劣的環(huán)境應(yīng)力。另一方面，大量電力電子器件和大規(guī)模儲(chǔ)能裝置的接入也使得電氣設(shè)備的運(yùn)行工況愈加復(fù)雜，對(duì)高壓電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，筆者認(rèn)為，未來(lái)新型強(qiáng)絕緣聚酰亞胺電介質(zhì)材料的發(fā)展需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1）繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)聚合物擊穿機(jī)制的探索，在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上，考慮復(fù)雜工況疊加的影響，完善不同場(chǎng)景下的擊穿模型。

2）重視數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)分子模擬可先行得出分子鏈介電、導(dǎo)熱等信息；通過(guò)有限元仿真則可計(jì)算出電場(chǎng)、熱場(chǎng)分布，以模擬仿真指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，可節(jié)省大量時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本，且更有助于我們對(duì)聚合物微觀參數(shù)的理解。

3）開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型聚酰亞胺電介質(zhì)材料，保證強(qiáng)絕緣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的自修復(fù)、可回收性能。

4）加強(qiáng)對(duì)聚酰亞胺電介質(zhì)材料長(zhǎng)期環(huán)境耐受性、老化性能的研究，探明其在多物理場(chǎng)下的劣化機(jī)制，可有利于新型聚酰亞胺電介質(zhì)材料的大范圍推廣應(yīng)用。