华北电力大学团队在《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》发表环氧树脂表面电荷调控机制研究

作者及机构
该研究由华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室的涂有萍教授（通讯作者）、周福文、程熠、姜涵团队，联合该校北京高压与电磁兼容重点实验室的王聪，以及可再生能源研究所的白福军、林军共同完成，发表于2018年8月的《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》期刊。

学术背景
本研究聚焦于高压直流设备中环氧树脂绝缘材料的表面电荷积聚问题。环氧树脂广泛应用于气体绝缘开关设备（GIS）和气体绝缘输电线路（GIL），但在直流电压长期作用下，表面电荷积累会导致电场畸变、闪络电压降低及绝缘性能恶化。尽管已有研究通过表面改性（如导电粉末涂层、Cr₂O₃薄膜沉积等）抑制电荷积累，但纳米复合材料涂层的调控机制尚未明晰。团队旨在阐明微米/纳米SiO₂/环氧复合涂层对表面电荷特性的影响机制，筛选最优涂层配方。

研究流程与方法
1. 样品制备
- 材料：采用E-51环氧树脂、甲基四氢苯酐固化剂，添加平均粒径60 nm的纳米SiO₂或0.7 μm的微米SiO₂（含量0-5 wt%）。
- 工艺：机械搅拌3小时+超声分散1小时（60℃），喷涂于FR4环氧基板（厚度170-190 μm），分阶段固化（100℃和150℃各4小时）。
- 表征：通过扫描电镜（SEM）观察截面形貌，确认颗粒分散性及界面相容性（图1-2）。

1. 表面电荷测试

   • 电极系统：设计高法向电场电极（图3），施加-3 kV直流电压30/60分钟后，采用静电探针法（Trek 6000B-5C）扫描表面电位分布（图4-5）。
     
   • 关键发现：未涂层FR4样品电荷集中于阴极附近（图9）；纯环氧涂层使阳极区电荷积累增加（图10）；1-3 wt%微米SiO₂或3 wt%纳米SiO₂涂层显著抑制电荷积聚（图11-12）。
     

2. 陷阱参数分析

   • 方法：等温表面电位衰减法（ISPD，图6），通过双陷阱模型（公式1）拟合衰减曲线，计算陷阱能级（公式2）和密度（公式3）。
     
   • 结果：微米SiO₂增加浅陷阱密度（0.96 eV, 1.98×10²¹ eV⁻¹·m³），纳米SiO₂在3 wt%时浅陷阱密度最高（0.91 eV, 3.42×10²¹ eV⁻¹·m³）（图13）。
     

3. 载流子迁移率

   • 计算：通过表面电位衰减拐点时间（图7）和公式4获得迁移率。微米SiO₂（3 wt%）使迁移率提升至1.76×10⁻¹² m²/Vs，纳米SiO₂（3 wt%）达8.60×10⁻¹² m²/Vs（图14）。
     

主要结果与逻辑关联
- 电荷积累机制：电荷主要来源于电极注入，在切向电场下迁移，阳极区因陷阱滞留、阴极区因法向电场吸附而积聚（图15）。
- 涂层调控效果：浅陷阱密度增加（微米SiO₂）和载流子迁移率提升（纳米SiO₂）可削弱滞留效应，抑制阳极区电荷积累。
- 阈值效应：5 wt%填料因团聚（图8）形成局部导电路径（图16），导致电荷广泛分布，反损绝缘性能。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了微米/纳米SiO₂通过调控浅陷阱密度和载流子迁移率抑制表面电荷的物理机制，填补了纳米复合涂层在环氧树脂电荷控制领域的理论空白。
2. 应用价值：明确1-3 wt%微米SiO₂或3 wt%纳米SiO₂为最优涂层配方，为高压直流设备绝缘设计提供实验依据。

研究亮点
- 方法创新：结合ISPD与静电探针法，首次量化涂层陷阱参数与电荷分布的关联性。
- 发现新颖性：发现纳米填料在低含量（1 wt%）时因化学缺陷增加深陷阱密度，而高含量（3 wt%）以物理缺陷主导浅陷阱生成。
- 工程指导性：提出“团聚阈值”概念，为复合绝缘材料填料含量设计提供临界参考。

其他价值
研究获国家重点研发计划（2014CB239502）支持，相关成果可拓展至其他聚合物绝缘体系（如硅橡胶、聚酰亚胺）的表面改性研究。