通過擊穿電壓測(cè)試儀研究樹脂復(fù)合材料的擊穿特性：

       研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)填料的添加會(huì)影響復(fù)合體系的擊穿強(qiáng)度，添加顆粒的種類、形狀、大小、表面處理及分散性是影響擊穿場(chǎng)強(qiáng)的主要因素。M. Bell 將甲基丙烯酸縮水甘油酯接枝到 SiO2納米顆粒表面，引發(fā)原位聚合，制備出 SiO2 填充的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，提高了復(fù)合材料的交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)。Z. B. Wang 等人研究了 EP/納米 BN 導(dǎo)熱復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)，與 BN 微米顆粒相比，填充 BN 納米顆粒的環(huán)氧樹脂具有更高的擊穿強(qiáng)度，并分析了納米和微米顆粒對(duì)電樹枝生長(zhǎng)的影響，認(rèn)為納米顆粒的添加抑制了電樹枝的生長(zhǎng)發(fā)展過程，而微米顆粒促進(jìn)了這一過程的發(fā)展。納米顆粒較高的介電常數(shù)并不能保證復(fù)合材料就有較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，較高的介電常數(shù)可能會(huì)造成界面處存在更大的電場(chǎng)畸變。Y. Wu 等人制備一元胺低聚倍半氧硅烷包覆的 BN 納米顆粒，填充到環(huán)氧樹脂基體中，復(fù)合材料的介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著填充量的增加反

而下降。H. Tang 制備出的核殼結(jié)構(gòu)的碳納米管填充到環(huán)氧樹脂基體中，復(fù)合材料的介電常數(shù)也表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。Z. Wang 制備出“三明治"結(jié)構(gòu)的納米 Al2O3 填充的環(huán)氧樹脂薄片，每層中 Al2O3 納米顆粒的填充量不同，研究發(fā)現(xiàn)最外層填充質(zhì)量分?jǐn)?shù) 70 wt%，中間層納米顆粒填充質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3 wt%時(shí)，復(fù)合薄片導(dǎo)熱上升至 0.447 W/(m·K)，復(fù)合薄片的擊穿場(chǎng)強(qiáng)升高至 68.5 kV/mm，與純環(huán)氧樹脂相比增強(qiáng)了 6.3%。

        西安交通大學(xué)對(duì)環(huán)氧樹脂的絕緣特性方面研究較多。張喬根等人把 Al2O3 填充到環(huán)氧樹脂，研究準(zhǔn)均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)下的沿面絕緣特性和燒蝕特性，發(fā)現(xiàn) Al2O3的填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 250 wt%以上后，絕緣子短時(shí)閃絡(luò)特性和長(zhǎng)時(shí)耐壓特性方面都具有較好的沿面電氣強(qiáng)度。改為 SiO2填料，發(fā)現(xiàn) SiO2 在短時(shí)加壓和長(zhǎng)期耐壓實(shí)驗(yàn)中，具有更優(yōu)良的絕緣特性。此外，張喬根等人探討了 Al2O3 摻雜環(huán)氧樹脂絕緣材料在SF6 氣體中的直流沿面閃絡(luò)特性，分析了沿面放電中蟲孔的形成及其對(duì)閃絡(luò)過程的影響，發(fā)現(xiàn) Al2O3 和環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為 3.5:1 時(shí)，環(huán)氧樹脂表面閃絡(luò)通道中存在明顯的蟲孔。鄭曉泉等人研究了填充氧化鋅(ZnO)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的擊穿特性，發(fā)現(xiàn) ZnO/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有優(yōu)良的非線性電導(dǎo)特性，填料含量為 5 wt%的試樣直流擊穿強(qiáng)度最高，且其擊穿強(qiáng)度分散性較小。

       吳鍇等人研究對(duì)比了純環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂/紙復(fù)合材料的擊穿及空間電荷特性，深入探討了加入絕緣紙對(duì)環(huán)氧樹脂空間電荷的影響極其破壞機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，在交流電場(chǎng)下，環(huán)氧/紙復(fù)合材料的擊穿電壓比純環(huán)氧樹脂低；而在直流電場(chǎng)下，環(huán)氧/紙復(fù)合材料的擊穿電壓比純環(huán)氧樹脂高。通過實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算的方法研究了環(huán)氧樹脂及SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電荷遷移過程，指出填充 3 wt%的 SiO2 納米顆粒之后，高壓電極附近的載流子溢出能力增強(qiáng)使得環(huán)氧樹脂的空間電荷積聚受到抑制，仿真計(jì)算得出高溫電極附近的空間電荷的量級(jí)高于低溫電極，復(fù)合材料空間電荷的遷移率在20~80 °C 范圍內(nèi)不會(huì)隨著溫度的升高而上升。

       李盛濤等人研究了 SiC/環(huán)氧樹脂高壓直流下的等溫表面電位衰減特性，表明正電荷的衰減速率遠(yuǎn)大于負(fù)電荷的衰減速率，填充量增加到 10 wt%的復(fù)合材料的電位衰減速率大于純環(huán)氧樹脂。后繼研究了環(huán)氧樹脂及 Al2O3 填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 68.3 wt%的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的介電松弛特性。環(huán)氧樹脂的介電松弛強(qiáng)度隨溫度的倒數(shù)增大而增強(qiáng)，介電松弛反應(yīng)了環(huán)氧樹脂分子鏈或支鏈的運(yùn)動(dòng)能力，通過 Volgel-Fulcher-Tammann(VFT)方程驗(yàn)證了復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與 DSC 曲線測(cè)試的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度基本保持一致。并從電暈充電、表面電荷沉積和脫陷、介質(zhì)體內(nèi)的單極性電荷輸運(yùn)等 3 個(gè)物理過程出發(fā)討論了環(huán)氧樹脂表面電位衰減原理。進(jìn)行了 Mg O/環(huán)氧樹脂的表面電痕放電實(shí)驗(yàn)，根據(jù)表面電樹的分布情況將電痕區(qū)域分為三個(gè)區(qū)間，區(qū)間 A 靠近高壓電極，碳化較輕；區(qū)間 B 直接連接正負(fù)極電極，呈現(xiàn)平行的放電痕跡；區(qū)間 C 指環(huán)形的放電通道，放電痕跡錯(cuò)綜復(fù)雜。添加 MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10 wt%，放電痕跡變得細(xì)小而密集，相對(duì)電痕指數(shù)升高。制備了 TiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，測(cè)試沿面閃絡(luò)電壓發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的直流沿面閃絡(luò)電壓比純環(huán)氧樹脂較高，添加少量 TiO2增加了深陷阱密度含量，表面電導(dǎo)率下降是導(dǎo)致閃絡(luò)電壓升高的主要原因。隨著填充量的增加閃絡(luò)電壓先升高后降低，復(fù)合材料的閃絡(luò)電壓與界面區(qū)域的勢(shì)壘有關(guān)。

       徐陽(yáng)等人研究了不同外施工頻電壓下環(huán)氧樹脂絕緣中的電樹枝結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)的特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在同一電壓下，環(huán)氧樹脂中電樹枝的生長(zhǎng)速度基本為恒定值，隨外施電壓的升高，電樹枝分枝變少，生長(zhǎng)速度基本呈指數(shù)增加。研究了填充多孔 SiO2 的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的介電特性，填充 0.3 wt%的復(fù)合材料的交流擊穿電壓升高了 73%，50 Hz 頻率下的常溫介電常數(shù)比純環(huán)氧樹脂較低。

        李建英等人研究了納米 MgO 對(duì)環(huán)氧樹脂介電性能的影響，復(fù)合材料的電氣強(qiáng)度隨摻雜量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)摻雜量為 1 wt%時(shí)，電氣強(qiáng)度達(dá)到最大值，相比純環(huán)氧樹脂提高了 11.2%。徐曼等人用輻照法制備了納米銀/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并對(duì)其電阻和擊穿場(chǎng)強(qiáng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，納米銀含量合適時(shí)，這種復(fù)合材料表現(xiàn)出高于其基體的電阻率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

      張冠等人研究了金屬微粒對(duì)絕緣材料真空沿面耐電性能的影響，指出金屬微粒能夠畸變其附近區(qū)域的局部電場(chǎng)，導(dǎo)致材料的沿面閃絡(luò)電壓隨微粒粒徑增大而降低。成永紅等人研究了不同填料含量的 TiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的真空沿面閃絡(luò)特性，復(fù)合材料的閃絡(luò)電壓隨著閃絡(luò)次數(shù)的增加顯著降低。呂澤鵬研究了交流電壓下玻璃態(tài)環(huán)氧樹脂的電樹枝的理論結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)，電樹枝的結(jié)構(gòu)分為：細(xì)絲狀電樹枝和反向電樹枝，細(xì)絲狀的電樹枝發(fā)展速率相對(duì)恒定，釋放電荷量較小，代表絕緣材料的老化。反向電樹枝主要在細(xì)絲狀電樹枝發(fā)展到接近地電極時(shí)產(chǎn)生，代表絕緣材料的降解過程。

     華北電力大學(xué)屠幼萍等人采用微米 SiO2/EP、納米 SiO2/EP 和納米 Ti O2/EP 涂層涂覆在環(huán)氧樹脂基體表面，在 0.1 MPa 下的空氣和 SF6中進(jìn)行了直流閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含微米 SiO2涂層的試樣中，微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3 wt%的試樣的短時(shí)閃絡(luò)電壓最高，含有納米 SiO2和納米 TiO2 涂層的試樣中，微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為 1 wt%的試樣的短時(shí)閃絡(luò)電壓最高。研究了 TiO2涂層的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的表面電荷的動(dòng)態(tài)變化特性，發(fā)現(xiàn)表面涂層中 TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 3 wt%時(shí)，表面電荷主要積聚在高壓電極附近，當(dāng)涂層的 TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過 5 wt%時(shí)，表面電荷主要積聚在地電極，切向電場(chǎng)方向表面電荷消散速率較快。謝慶等人通過實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)氧樹脂在真空及空氣中的直流沿面閃絡(luò)特性，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂在真空中閃絡(luò)受固體絕緣介質(zhì)的影響大于空氣閃絡(luò)；在脈沖電壓幅值為 18 kV、頻率為 100 Hz、電極間距為 10 mm 的情況下，對(duì)環(huán)氧樹脂表面進(jìn)行沿面放電老化處理，對(duì)不同放電老化時(shí)間下的表面形貌、粗糙度及水接觸角進(jìn)行測(cè)量，分析了放電對(duì)材料表面老化的影響，結(jié)果表明，放電老化后環(huán)氧樹脂表面疏松，且有大量的突起顆粒形成。表面閃絡(luò)電壓隨老化時(shí)間出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象。丁立健等人構(gòu)建了絕緣子沿面閃絡(luò)模型，研究了沖擊電壓的大小、次數(shù)與絕緣子表面電荷分布的關(guān)系，解釋了沿面放電的發(fā)展過程。

       中國(guó)科學(xué)院邵濤等人采用等離子體射流技術(shù)在環(huán)氧樹脂表面沉積 SiOx薄膜，改性后的環(huán)氧樹脂表面電導(dǎo)率升高了 2~3 個(gè)數(shù)量級(jí)，表面電荷初始積聚量減少，閃絡(luò)電壓由未處理的-6.5 kV 提升至-9.3 kV。研究了表面電荷積聚對(duì)環(huán)氧樹脂直流沿面閃絡(luò)特性的影響，表明常溫等離子射流方法可以抑制表面電荷的積聚，而沿面閃絡(luò)電壓的極性與表面電荷的極性相同的情況下，沿面閃絡(luò)電壓大幅下降。嚴(yán)萍等人采用放電等離子體、離子注入、表面直接氟化的方法對(duì)環(huán)氧復(fù)合絕緣樣品進(jìn)行處理，研究認(rèn)為采用表面直接氟化處理的環(huán)氧樹脂的樣品閃絡(luò)電壓有所提高，而放電等離子體和離子注入方法在提高環(huán)氧樹脂沿面閃絡(luò)電壓方面表現(xiàn)不明顯。

       同濟(jì)大學(xué)安振連等人使用氟/氮混合氣在反應(yīng)釜中對(duì)環(huán)氧樣片進(jìn)行表面氟化處理，研究結(jié)果表明氟化改變了試樣表層的組分和結(jié)構(gòu)、從而導(dǎo)致其表面電導(dǎo)率顯著增大。進(jìn)行了 SF6氣體中的環(huán)氧樹脂沿面放電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面氟化后的環(huán)氧樹脂的交流沿面閃絡(luò)電壓略有上升。增加固體絕緣材料的表面電導(dǎo)率能夠改善其閃絡(luò)特性。對(duì)氟化后的環(huán)氧樹脂進(jìn)行電暈放電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不會(huì)產(chǎn)生環(huán)氧樹脂有關(guān)的揮發(fā)性或可溶性產(chǎn)物，表明氟化后的環(huán)氧樹脂具有較高的抑制電暈放電的作用。

       重慶大學(xué)王有元等人研究了不同 AlN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì) AlN/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料絕緣性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米 AlN 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3 wt%時(shí)，AlN/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的交流擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度最大。呂程研究了 AlN 含量（5 wt%~20 wt%）對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)、工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)、相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值和體積電阻率的影響。結(jié)果表明：復(fù)合材料的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)和體積電阻率隨 AlN 含量的增加而減小，在 10-2~10-7 Hz 范圍內(nèi)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值都隨 AlN 含量的增加而變大。李劍等人研究了表層氟化對(duì)環(huán)氧樹脂負(fù)極性直流閃絡(luò)特性的影響。結(jié)果表明：氟化修飾對(duì)極不均勻電場(chǎng)下的閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)提升效果更為明顯。電極間隙 10 mm 時(shí)，氟化 15、30 和 60 min 使環(huán)氧樹脂在極不均勻電場(chǎng)中的閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)分別增加 16%、34%和 47%，而在準(zhǔn)均勻電場(chǎng)中的閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)增加幅度僅分別為 9%、15%和 22%。司馬文霞研究了直流電場(chǎng)下銅微粒粒徑和位置對(duì)環(huán)氧樹脂沿面閃絡(luò)電壓的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：附著銅微粒會(huì)顯著降低環(huán)氧樹脂沿面閃絡(luò)電壓，銅微粒緊貼高壓電極表面時(shí)，沿面閃絡(luò)電壓隨銅微粒粒徑的增加而下降，銅微粒與電極間距越小，沿面閃絡(luò)電壓下降越明顯。

       天津大學(xué)杜伯學(xué)等人指出兼具高導(dǎo)熱、優(yōu)異絕緣性能的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料未來(lái)的發(fā)展方向。研究了交流和脈沖電壓下環(huán)氧樹脂表面電荷的積聚現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)同時(shí)施加交流和正極性脈沖后，樣片起始表面電勢(shì)隨脈沖幅值的增大由負(fù)極性轉(zhuǎn)變?yōu)檎龢O性。研究了環(huán)氧樹脂/SiC 復(fù)合材料的沿面閃絡(luò)特性，填充體積分?jǐn)?shù)為 14 vol%的復(fù)合材料的表面電荷消散能力和沿面閃絡(luò)電壓得到改善，隨著溫度升高復(fù)合材料的沿面閃絡(luò)電壓降低。采用電子束輻射對(duì)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料處理后，環(huán)氧樹脂局部放電腐蝕深度顯著降低，材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，介電常數(shù)下降，電子束輻射能夠提高環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度，添加 Al2O3納米顆粒之后復(fù)合材料的局部放電腐蝕深度降低。研究了 TiO2摻雜后的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的表面電荷動(dòng)態(tài)過程，研究表明：納米 TiO2顆粒會(huì)減緩環(huán)氧樹脂表面電荷消散的速度，6 wt%納米復(fù)合試樣電荷消散最慢；表層氟化處理可以加速電荷消散速度，所以可以通過表層氟化處理來(lái)彌補(bǔ)納米顆粒加入后對(duì)環(huán)氧樹脂絕緣性能所帶來(lái)的不利影響，進(jìn)而討論了交流與脈沖電壓聯(lián)合作用下環(huán)氧樹脂表面電荷的動(dòng)態(tài)特性。肖萌制備了環(huán)氧樹脂/BN/SiC 復(fù)合材料，固化過程中采用直流和交流電場(chǎng)誘導(dǎo)納米顆粒極化取向，BN 和 SiC 的填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 25 wt%、5 wt%，復(fù)合材料的電導(dǎo)率得到提高，但電荷消散速率與純環(huán)氧樹脂相比降低。

       清華大學(xué)何金良等人研究了 Al2O3/環(huán)氧樹脂氟化后的直流電氣特性，微米 Al2O3 填充質(zhì)量是環(huán)氧樹脂質(zhì)量的 3.3 倍，填充 Al2O3 后的復(fù)合材料的表面電導(dǎo)率和表面粗糙度升高，從而提高了復(fù)合材料的沿面閃絡(luò)電壓。梁曦東研究了環(huán)氧樹脂絕緣子在不同溫度下的表面電荷消散規(guī)律，利用針板電極加壓后測(cè)試表面電位，表明環(huán)氧樹脂材料的表面電阻率越大，表面電荷沿表面消散的速率就越小，絕緣子表面積聚的電荷也就越多，使得電場(chǎng)畸變的程度也越大。張貴新等人制備了 C60/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)添加 200 ppm 的 C60 可以顯著降低復(fù)合材料的體積電導(dǎo)率，有助于提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在直流電壓下的沿面閃絡(luò)特性。

       上海交通大學(xué)江平開等人研究了純環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂/片狀 BN 導(dǎo)熱復(fù)合材料的介電常數(shù)及交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)片狀的 BN 材料與 EP 之間存在較強(qiáng)的界面作用，提高了復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度，納米 BN 片能夠抑制電樹枝的生長(zhǎng)。繼而通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了填充碳納米管、BaTiO3、納米銀能夠顯著提高復(fù)合材料的介電常數(shù)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和導(dǎo)熱系數(shù)。

      哈爾濱理工大學(xué)周文英研究了 CTPB(端羧基聚丁二烯)與 BN 二者一起填充的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電氣特性，與 BN/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比，添加 CTPB 之后的復(fù)合材料表現(xiàn)出較低的介電常數(shù)、較高的電阻率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng) BN 填充量達(dá)到 40 wt%時(shí)復(fù)合材料的導(dǎo)熱率為 0.8 W/m K。

      北京交通大學(xué)張騰制備了 AlN/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，當(dāng)填充量達(dá)到 40 wt%時(shí)，復(fù)合材料的沿面閃絡(luò)電壓與純環(huán)氧樹脂相比上升了 5%左右，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沿面閃絡(luò)電壓的大小與環(huán)氧樹脂的固化溫度有關(guān)，沿面閃絡(luò)電壓隨固化溫度升高而降低。

總結(jié)：

環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的擊穿特性研究現(xiàn)狀得出：填充納米顆粒后，復(fù)合材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)普遍升高，但是不能排除可能出現(xiàn)擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降的情況，擊穿場(chǎng)強(qiáng)受填料的填充量影響較大。納米顆粒可以改變復(fù)合材料表面結(jié)構(gòu)，促進(jìn)表面電荷的消散，提高表面電導(dǎo)率，有利于提高復(fù)合材料的沿面放電電壓。機(jī)理方面，納米顆粒與有機(jī)物基體之間的相互作用是關(guān)注的重點(diǎn)，此方面仍缺乏深入的研究。