摘要：聚乙烯是一种优苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料电树枝性能研究异的绝缘塑料，在聚乙烯中掺杂纳米颗粒制备的复合材料具有优秀的电性能，目前应用广泛。苯乙酮是一种具有较好电树枝抑制效果的小分子物质；本文采用化学手段将苯乙酮分子接枝到SiO2纳米颗粒表面的羟基上，将合成的新的纳米颗粒与LDPE熔融共混制备出一种新的复合材料苯乙酮-SiO2/LDPE。对此种复合材料做电树枝实验，利用数字摄像系统拍摄电树枝的生长过程，得出结论：不同配比的苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料对电树枝有不同程度的抑制效果。猜测此种复合材料的耐电性能可能与苯乙酮分子固有的烯醇式互换异构反应有关，此种反映能够吸收高能带电粒子的能量从而降低聚乙烯C-C链被轰击破坏的概率。
关键词：聚乙烯；苯乙酮；电树枝
1.苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料电树枝老化理论
电树枝实际是绝缘材料在强电场长时间作用下发生击穿而形成的中空的通道，这些通道呈树枝状，因此取名电树枝，这些通道直径一般为微米以下，内部填满空气。目前模拟电树枝实验一般采用的是针-板电极系统，将直径为几微米的针尖埋入到绝缘材料中，针尖连接高压施加在绝缘材料上，观察随着时间增长电树枝的变化情况。通过大量的实验总结，影响电树枝引发的主要因素有三个：1.针电极在埋入绝缘材料时接触处附近是否有气隙的存在，气隙的存在会加速电树枝生长；2.针尖处场强很高，可能会引起绝缘内部部分物质发生气化，气体放电产生高能带电粒子侵入绝缘介质从而产生电树枝；3.电场的机械应力的反复作用使绝缘介质疲劳损坏形成电树枝。
2.复合材料的电树枝实验
本文采用电化学腐蚀的方法制得针尖曲率半径为几微米的钨针，将制好的钨针用光学显微镜进行筛选，挑选出3~5微米的针尖，将苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料压制成片，将钨针插入，制得式样，对钨针施加高压，利用数字摄像系统进行拍摄采集图像。
本节主要实验了纯LDPE与含量为1%、2%、3%的苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料四种绝缘的电树枝性能。每种试样测试十组，消除偶然因素。测试过程中利用摄像机每隔30秒拍摄一张图片，记录电树枝生长情况，测试总时长为120分钟。
2.1电树枝生长形态
这四种材料电树枝生长形态结果如图1所示。
图1电树枝生长形态图
四种试样分别挑选了10min、30min、60min、90min、120min时刻的五组图片作对比，从左至右依次为纯LDPE、1%、2%、3%含量的苯乙酮-SiO2/LDPE。从图中我们可以清楚的观察到纯LDPE材料，电树枝生长的速度最快，相同时间生长长度都要大于其他三种，树枝生长形态较为稀疏，呈藤枝状。而1%、2%、3%含量的苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料的电树枝在生长速度上与纯LDPE相比有着不同程度的降低，同一时间生长的长度较小，竖直的形态较为稠密，尤其是纳米颗粒含量为1%和2%的复合材料，体现出了较优异的抑制效果，电树枝的形态呈丛装，生长速度较为缓慢。
综上所述：苯乙酮-SiO2颗粒含量为1%与2%时电树枝的生长形态会发展成为稠密的丛状树枝，生长速度较低，抑制效果最好；而3%含量的复合材料电树枝生长形态多半发展成为丛-枝混合状，虽抑制效果不如1%与2%含量的材料，但相比纯LDPE来说抑制效果也有所提高。分析原因：其一是芳香烃类化合物分子中存在大π键，这种化学键的存在能够吸收高能带电粒子的能量，从而降低聚乙烯中的碳链被破坏的可能；其二就是苯乙酮分子所固有的烯醇式互换异构反映，吸收带电粒子的能量，降低高能带电粒子的数量，从而抑制电树枝的生长。
2.2电树枝生长长度与扩散系数
通过测量软件量取图1中的四种不同复合材料的电树枝生长长度的数值，每组复合材料十个样本，取平均值，最大值和最小值，绘制出图2。
图2 电树枝生长长度
由图可知，在测试时间以内，三种不同含量的苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料的电树枝生长速度都好于纯LDPE，并且复合材料在生长过程中出现的生长停滞期较长，由此曲线图可以更直观的说明苯乙酮-SiO2/LDPE复合材料对电树枝的生长长度有较好的抑制作用。
参考文献：
[1]兰莉，吴建东，纪哲强，等.纳米SiO2/低密度聚乙烯复合介质的击穿特性[J].中国电机工程学报，2012，13：138-143.
论文作者:刘奇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/7/11
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