摘 要：制备了质量分数分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%和7%的纳米碳化硅/硅橡胶复合物,利用宽频介电谱测试仪测试了不同碳化硅含量的纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介电谱特性．结果表明:纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介电常数在室温下随碳化硅含量的增加而增加,且在频率小于1Hz时,复合物的介电常数小于纯硅橡胶的介电常数．当频率小于50Hz时,复合物的介质损耗角正切随碳化硅含量的增加而降低,当频率大于1kHz,复合物的介质损耗角正切随碳化硅含量的增加而增加．同时研究了纳米碳化硅/硅橡胶复合物的击穿特性,通过交流击穿试验可知,纳米碳化硅/硅橡胶复合物的击穿场强随纳米碳化硅含量的增加先增加后降低,当碳化硅质量分数为3%时,击穿场强出现最大值．
关键词：纳米碳化硅/硅橡胶复合物; 介电谱特性; 击穿特性
0 引 言
纳米科学技术的发展为新材料的开发和对现有材料的改性提供了新的思路和途径．从20世纪90年代起,国内外学者对纳米无机物改善聚合物性能作了广泛研究[1-3]．在聚合物如聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、低密度聚乙烯、硅橡胶、聚酰亚胺等中填加纳米无机物如二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化镁、碳化硅、碳纳米管、蒙脱土等,与传统聚合物比较,纳米复合物的电、热和机械性能有了很大的改善[4-7]．
碳化硅是非线性无机材料,在均匀电场方面得到广泛应用[8],在聚合物中加入纳米尺度的碳化硅,可使复合物的电导率随着场强的改变呈现出非线性变化[9-10],目前对纳米碳化硅复合物的研究多集中于其非线性电导特性,得出纳米碳化硅复合材料的电导率随碳化硅含量的增加而增大,当外加电场达到一定值时,纳米碳化硅复合材料的电导特性曲线出现拐点,导电机理发生改变．在同一碳化硅含量,同一电场强度下,纳米碳化硅复合物的电导率大于微米碳化硅复合物的电导率,且在同一体积分数下,添加纳米级碳化硅的复合物的非线性导电特性比添加微米级碳化硅的复合物要好,同时也对α、β晶型的纳米碳化硅复合物的非线性电导特性进行对比,结果表明,当外加电场强度相等时,在相同的碳化硅含量下,β晶型的碳化硅复合物的电导率比α晶型的碳化硅复合物的电导率高几个数量级,且β晶型复合物的非线性电导系数大约是α晶型复合物的两倍等结论[9-12]．
研究表明,当纳米碳化硅质量分数达到5%以上时,纳米碳化硅/硅橡胶复合物才会出现非线性电导特性[13]．为了研究低的碳化硅含量对硅橡胶复合物介电常数和介质损耗角正切以及击穿特性的影响,本文制备了纳米碳化硅质量分数为1%～7%纳米碳化硅/硅橡胶复合物,测试了其介电谱特性和击穿特性,得出复合物的介电常数和介质损耗角正切随纳米碳化硅含量和频率的变化规律,以及纳米碳化硅含量对复合物击穿特性的影响,研究表明,当纳米碳化硅含量低于使其复合物出现非线性电导特性的含量时,碳化硅的加入,会在介质中产生大量的界面,从而影响复合物的极化,使其介质特性发生改变．
1 试样制备
试验用的硅橡胶为上海硅山高分子材料有限公司生产的室温硫化硅橡胶,纳米碳化硅为北京德科岛金科技有限公司生产的平均粒径40 nm的β晶型纳米碳化硅．将纳米碳化硅加入硅橡胶中并将硅橡胶、交联剂和催化剂按一定比例混合,在真空干燥箱中去除气泡固化制成试样．分别制备了纯硅橡胶和质量分数分别为1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%的纳米碳化硅/硅橡胶复合物,试样厚度0.4 mm．
2 纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介电谱特性
2.1 试验
利用宽频介电谱仪Concept 80测试了不同含量的纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介电谱特性,试验频率范围10-1 Hz10-6 Hz,试验在室温下进行,试验前将试样放入干燥箱中80 ℃短路处理24 h,以去除试样中的水分和表面电荷．
2.2 试验结果
纯硅橡胶和1%-7%纳米碳化硅含量的硅橡胶复合物的介电常数与频率的关系如图1所示,可以看出,随碳化硅含量的增加,复合物的介电常数呈增加趋势,但在频率小于1 Hz时,纳米碳化硅的加入减小硅橡胶复合物的介电常数．
图1 纯硅橡胶和纳米碳化硅/硅橡胶复合物的 介电常数与频率的关系
图2为纯硅橡胶和质量分数7%纳米碳化硅的硅橡胶复合物的介质损耗角正切与频率的关系,从图中可以看出:①不同含量纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介质损耗角正切都是随着频率的增加而降低．②当频率大于1 kHz时,复合物的介质损耗角正切随碳化硅含量的增加而增加．③当频率小于50 Hz时,复合物介质损耗角正切随纳米碳化硅含量的增加而降低．
图2 纯硅橡胶和纳米碳化硅/硅橡胶复合物的 介质损耗角正切与频率的关系
2.3 结果分析
图1中纳米复合物的介电常数随碳化硅含量的增加而增加,符合Lichteneker-Rother方程[14]
Logε=v2Logε2+v1Logε1.
(1)
式中:ε为复合物介电常数;ε1和ε2分别为纳米填充物和基体的介电常数;v1和v2分别为填充物和基体的体积分数．本文中,纳米碳化硅的介电常数为10,纯硅橡胶的介电常数约为2.7,可知,复合物介电常数的增加是由于碳化硅材料高的介电常数,且随碳化硅含量增加,复合物介电常数增加．
同时,复合物的介电常数取决于其极化和松弛机理,如图3所示[15],不同频率下极化机理不同．低频下复合物的介电常数低于纯硅橡胶是由于硅橡胶是极性材料,在频率低于1 Hz时,偶极子转向极化作用加强,此时随着频率的降低,硅橡胶复合物介电常数增加,而纳米碳化硅填加到硅橡胶中,减小了硅橡胶的自由体积,在一定程度上限制了复合物的偶极子转向极化,使得低频下纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介电常数低于纯硅橡胶．
图2中复合物的介质损耗角正切与纳米碳化硅含量和频率的关系可解释为:①当频率大于1 kHz时,纳米复合物的介质损耗角正切随碳化硅含量增加而增加是因为在此频率下,复合物电导损耗起主要作用,随着碳化硅含量的增加,复合物的电导率增加[16]．②当频率小于50 Hz时,复合物介质损耗角正切随纳米碳化硅含量的增加而降低,是因为在低频下,偶极子转向极化起主要作用,由于碳化硅含量越高,偶极子转向极化越困难,此时纯硅橡胶的介质损耗角正切最大．纳米碳化硅含量越高,纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介质损耗角正切越小．③频率大于50 Hz小于1 kHz区间,是一个过渡区域,两种机理共同作用．
图3 极化类型与时间的关系
3 纳米碳化硅/硅橡胶复合物的击穿特性
3.1 试样处理与试验方法
材料的击穿场强是其电气性能的重要参数．本文利用CS2674C 耐压测试仪,测试了纯硅橡胶和1%～7%纳米碳化硅/硅橡胶复合物的击穿场强．试验电源电压0～50 kV,上下电极直径分别为25 mm和75 mm,试验在变压器油中进行,采用手动升压,升压速度约为0.5 kV/s．
3.2 试验结果
固体绝缘材料的击穿场强受很多因素影响,是一个统计值．纯硅橡胶和质量分数分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%纳米碳化硅/硅橡胶复合物击穿场强的威布尔分布如图4所示,击穿场强与纳米碳化硅含量的关系如图5所示,可以看出,复合物的击穿场强随碳化硅含量的增加先增加后降低．当纳米碳化硅质量分数为3%时击穿场强达到最大值33.30 kV/mm．
图4 纯硅橡胶和纳米碳化硅/硅橡胶复合物 的击穿场强的威布尔分布
图5 复合物的击穿场强与纳米碳化硅含量的关系
3.3 结果分析
纳米碳化硅/硅橡胶复合物击穿场强随碳化硅含量的增加而增加,当碳化硅质量分数为3%时达到最大值,这一变化规律与文[17]的研究一致．出现这一现象的原因可能是复合物中加入的纳米无机物限制了基体分子链的运动,减小了自由体积,提高了材料的固有介电强度．而当纳米无机物含量继续增加时,纳米颗粒间的距离减小,甚至出现界面重叠现象,由于无机相与有机相间的界面区域使载流子运动更加容易,导致出现逾渗现象,降低了复合物的击穿场强．
4 结 论
本文研究了质量分数分别为1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%的纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介电谱特性和击穿特性,得到以下结论:
1)纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介电常数随碳化硅含量的增加而呈现增加的趋势,但是在频率低于1 Hz时,纳米碳化硅的加入降低了硅橡胶的介电常数．
2)在频率高于1 kHz时,纳米碳化硅/硅橡胶复合物的介质损耗角正切随碳化硅含量的增加而增加,在频率低于50 Hz时,复合物的介质损耗角正切随纳米碳化硅含量增加而降低．
3)纳米碳化硅/硅橡胶复合物的击穿场强随碳化硅含量的增加表现为先增加后降低,在纳米碳化硅质量分数为3%时,复合物的击穿场强达到最大值．
