一种环氧基复合材料深陷阱涂层及应用的制作方法

本发明属于固体绝缘材料表面改性的研究领域，涉及一种环氧基复合材料深陷阱涂层及应用。

背景技术：

随着我国特高压直流输电技术的发展，电气设备的绝缘安全问题成为制约输电等级提高，影响高压直流工程建设的关键。当绝缘子长期处于高压直流环境下时，电压极性不变，因微放电、电晕放电产生的自由电荷积聚在固体材料表面，形成表面电荷。一方面导致表面电场畸变，诱发局部放电；另一方面，也为沿面放电的发展提供种子电荷，促进闪络过程的形成。故表面电荷被视作导致固体绝缘材料表面绝缘性能显著降低的重要原因之一。因此，为保证可靠的设备绝缘，有必要探寻表面电荷的有效调控方法，抑制绝缘材料的表面电荷积聚现象，从而提高其绝缘性能。

表面电荷的积聚现象受到外部环境、外施电压波形、电极结构和材料种类等多种因素的影响，这些因素导致了其分布形貌的复杂性和多样性。目前已有的表面电荷调控方法主要分为绝缘子理化改性和优化绝缘子的形状两类，前者包括射线辐照处理、氟化处理、低温等离子体改性、利用自由基清除剂抑制电荷积聚以及通过磁控溅射在试样表面涂覆涂层等改性方法，这些方法具有一定的实验效果，但实验成本高、操作复杂、单次实验面积小，限制了其大规模推广；优化绝缘子结构虽不需要引入其他材料，在工程上较易实现，但无法应用于大量已成型或正在服役的绝缘子。鉴于上述问题，本发明利用自然沉积法在待改性试样表面涂覆涂层，涂层厚度可控，操作灵活、简便，具有良好的工业应用前景。同时，已有研究表明，表面电荷的积聚特性与材料表面的陷阱分布密切相关。上述材料改性方法的落脚点在于使固体绝缘材料表面形成更多的浅陷阱、提高表面电导率，从而加快表面电荷的消散；或引入深陷阱阻碍电荷的进一步注入，从而达到抑制电荷积聚的效果。在材料表面涂覆涂层时，首先需保证涂层与待改性试样紧密接触，保证形成致密的涂层；其次涂料配方的选择对实验结果有着重大的影响，恰当的涂料配方可以有效调控材料表面的陷阱分布，改变表面陷阱的能级密度和能级高低，从而抑制表面电荷的积聚。因此，需要研究最优的涂料配方，通过自然沉积法紧密积覆于固体绝缘材料表面，抑制表面电荷的积聚现象。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种环氧基复合材料深陷阱涂层及应用，解决现有技术中表面电荷调控方法实验成本高、操作复杂的问题。

本发明的技术方案为：

一种环氧基复合材料深陷阱涂层，所述涂层为添加有纳米碳化硅的环氧树脂。

所述纳米碳化硅添加的比例为1-7wt％。

作为优选，所述纳米碳化硅添加的比例为5wt％。

根据权利要求1所述环氧基复合材料深陷阱涂层，所述纳米碳化硅的粒径为不超过100nm。

环氧基复合材料深陷阱涂层在抑制环氧基复合材料表面电荷积聚的应用。

通过自然沉积法将权利要求1所述涂层贴附在环氧基复合材料表面。

本发明有益效果：

sic为宽禁带半导体(禁带宽度>2.5ev)，具有高击穿场强、高导热率(5w/(cm·k))、高硬度和高熔点等性质，在民用与国防电子、电工等领域得到了日益广泛地应用。本发明所制备得到的ep/sic涂层通过调控试样表面的微观陷阱分布来改变宏观上试样表面电荷分布状态，可以明显抑制电荷的注入和表面电荷的积聚现象，提高环氧基复合材料的闪络电压。该涂层能够大面积的应用于已成型的设备绝缘，可以显著提高其表面绝缘性能，具备较高的经济价值和实用效果。

附图说明

图1是涂布有ep/sic涂层的ep/al2o3复合材料扫描电镜图；

图2是ep/sic涂层扫描电镜图；其中(a)为添加1wt％sic；(b)为3wt％sic；(c)为5wt％sic；

图3是正压下表面电荷分布图；其中(a)为添加0wt％sic；(b)为1wt％sic；(c)为3wt％sic；(d)为5wt％sic；

图4是负压下表面电荷分布图；其中(a)为添加0wt％sic；(b)为1wt％sic；(c)为3wt％sic；(d)为5wt％sic；

图5正压下ep/sic涂层的陷阱能级典型分布特征；(a)浅陷阱；(b)深陷阱；

图6负压下ep/sic涂层的陷阱能级典型分布特征；(a)浅陷阱；(b)深陷阱；

图7sic含量、表面电荷密度最大值及闪络电压关系图；(a)正极性；(b)负极性。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本实施例所用涂层为环氧树脂(ep)与纳米碳化硅(sic)混合制备的ep/sic涂层，待改性试样为ep/al2o3环氧基纳米复合材料，采用“机械共混法”制备试样，主要的制备步骤如下：

ep/al2o3环氧基纳米复合材料：

1)称取一定质量的纳米al2o3颗粒，将这些纳米al2o3颗粒放置在电焊条干燥箱中，干燥箱温度设置为100℃，时间设定为24h以尽量去除水分；

2)称取一定量的ep，并将烘干后的纳米al2o3颗粒按照设定的质量比加入到ep中，充分搅拌得到初混溶液；

3)将得到的初混溶液置于数显恒温磁力搅拌水浴锅中，在50℃的温度下磁力搅拌1h；

4)将搅拌后的混合溶液移至超声波清洗器中，设置超声温度为50℃，利用超声波进行分散处理1h，以保证纳米颗粒在环氧树脂中分散均匀；

5)按照环氧树脂与固化剂按照质量比为100:30称取固化剂，将固化剂加入到纳米al2o3颗粒与ep的混合溶液中；

6)将加入了固化剂的混合溶液置于恒温水浴锅中，水浴锅温度仍然设定为为50℃，并在此温度下搅拌10min，搅拌过后溶液表面有很多细小气泡；

7)为了排除上一步骤中的气泡，将真空干燥箱温度设置为30℃，对上述溶液进行真空预处理10min，然后将其平摊倒入模具；

8)将模具放入真空干燥箱中，在真空环境下脱气处理1h，此时真空干燥箱的温度保持在30℃；

9)经过上述处理后，将模具放置到热延伸试验仪中进行固化，在70℃的温度下放置3h，然后在120℃温度下放置3h做后固化处理；

10)调节热延伸试验仪内的温度，以1℃/min的速率逐步下降到室温，最后获得实验需要的成型ep/al2o3纳米复合材料。

ep/sic涂层

1)sic选取由徐州宏武纳米材料有限公司生产的β-sic，粒径50nm。实验前将sic在100℃环境下干燥处理24h，以去除水分的影响，干燥结束后将其添加到ep中，添加比分别设定为1wt％、3wt％和5wt％。

2)sic和ep的“机械共混”制备过程制备ep/al2o3时相同，再制得混合均匀的ep/sic涂料后，通过自然沉积法将涂料紧密贴附在ep/al2o3复合材料表面，鉴于涂层和复合材料的聚合物材料均为环氧树脂，可以保证贴附的紧密性，为后续研究的顺利开展打好基础。

3)ep/sic涂料制备完成后，通过自然沉积法将涂料贴附在ep/al2o3复合材料表面。

结果分析：

1)ep/sic涂层致密均匀且sic颗粒在ep中分散良好

采用扫描电子显微镜(sem)进行观察，设备型号为hitachis-4800场发射扫描电子显微镜，热电子加速电压为5kv，最高分辨率可达1.0nm，结果如图1和图2所示。从图1可以看出，涂料均匀地涂覆在ep/al2o3复合材料表面，形成致密涂层。从图2可以看出，sic颗粒在ep/sic涂层中分散性良好，无明显团聚现象出现。

2)对电荷积聚的抑制效果明显

测量了外施±10kv电压，加压30min后有无涂层试样的表面电荷分布形貌，表面电荷测量结果如图3和图4所示。从图可知，ep/sic涂层可以显著抑制表面电荷的积聚现象，且当涂层中sic含量为5wt％时，抑制效果最明显。

3)涂层表面的陷阱能级分布特征

采用等温表面电位衰减法(ispd)测量了涂层表面的陷阱分布，结果如图5-6。从图中可以看出，随着涂层中sic含量的增加，电子陷阱或者空穴陷阱中的深陷阱数量增多，能级提高；浅陷阱能级提高。

当涂层中sic含量是5wt％时试样表面的陷阱能级最高，电荷注入更加困难，表面电荷积聚最少。

陷阱能级的提高以及深陷阱数量的增加，导致高压电极附近被陷阱捕获的入陷电荷数量增加，入陷电荷产生的反向电场阻止了电极向试样表面继续注入电荷，显著降低了表面电荷的来源，从而抑制了表面电荷的积聚。

4)涂层对试样闪络电压的影响

在电荷积聚实验结束后，测量了有无涂层试样的闪络电压，结果如图7所示。由图可知，当有涂层且随着涂层中sic含量逐渐增加，表面电荷密度逐渐减少，正负极性闪络电压均逐渐提高，试样的表面绝缘性能得到显著改善。

本发明并不局限于实施例中所描述的技术，它的描述是说明性的，并非限制性的。本发明的权限由权利要求所限定，基于本技术领域人员依据本发明所能够变化、重组等方法得到的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围之内。