先進納米電介質(zhì)：基礎和應用

第1 章　緒論：聚合物納米復合材料的魅力  1
1.1 添加少量填料的納米復合材料  1
1.1.1 球形納米填料復合材料的制備方法 2
1.1.2 層狀納米填料復合材料的制備方法 2
1.2 納米復合材料的廣泛應用 . 3
1.3 納米復合材料優(yōu)異的介電與絕緣性能  3
1.4 微納米復合材料耐電強度與其他工程性能的平衡  5
1.4.1 熱膨脹系數(shù)和耐電強度 5
1.4.2 熱導率和耐電強度 6
1.5 納米復合材料中界面的主導作用 . 6
1.6 納米復合材料源于納米技術和膠體科學  7
1.6.1 納米技術的概念 7
1.6.2 膠體科學闡述的界面概念 7
1.6.3 復合材料技術沿革 8
1.6.4 聚合物納米復合材料的誕生 8
1.7 納米復合材料的光明前景 . 9
第2 章 電氣和電子領域潛在的應用  11
2.1 電力設備和電纜  11
2.1.1 SF6 氣體既有優(yōu)異的性能又會造成溫室效應 . 11
2.1.2 使用無溫室效應氣體開發(fā)環(huán)境友好型電力設備 12
2.1.3 電力設備用納米復合絕緣材料研發(fā) 14
2.2 電機繞組用高性能、長壽命電磁線 . 21
2.2.1 變頻脈沖下局部放電誘發(fā)的電機絕緣擊穿 21
2.2.2 多因素決定逆變器脈沖局部放電起始電壓 22
2.2.3 納米復合電磁線的介電性能取決于納米填料的分散狀態(tài) 25
2.2.4 納米復合材料極大提高逆變器耐受脈沖壽命 27
2.2.5 納米填料抑制電磁線局部放電老化的機理 28
2.2.6 耐浪涌納米復合電磁線在電機產(chǎn)品中的應用與國際標準制定 29
2.3 戶外聚合物絕緣子  31
2.3.1 聚合物絕緣子的輕質(zhì)復合結(jié)構 31
2.3.2 聚合物絕緣子應具備的性能 32
2.3.3 采用納米復合材料提高耐侵蝕性 33
2.3.4　添加納米填料可增強界面結(jié)合強度 34
2.3.5 納米復合絕緣子的技術展望 36
2.4 電子器件用高密度組件 . 39
2.4.1　輕質(zhì)、復合結(jié)構聚合物絕緣 39
2.4.2　納米復合材料作為電子元器件封裝樹脂的有效性 40
2.4.3　電子設備絕緣襯底用高熱耗散、高熱導率微納米復合材料 46
第3 章　介電性能和其他工程性能的兼容性  52
3.1 高熱導率高耐電強度復合材料  52
3.1.1 激光閃射法測量熱導率 52
3.1.2 通過填充微米填料提高聚合物熱導率 53
3.1.3 通過改進界面進一步提高熱導率 55
3.1.4　填充微米填料降低耐電強度 56
3.1.5　相容性配方：納米填料和微米填料的巧妙配合 56
3.1.6 具有高熱導率和高耐電強度的復合材料 58
3.2 低熱膨脹系數(shù)高耐電強度復合材料 . 60
3.2.1 熱膨脹系數(shù)是澆注制品重要的材料性能參數(shù) 60
3.2.2　使用納米復合材料可以降低熱膨脹系數(shù)、提高耐電強度 61
3.2.3　 混合添加微米、納米填料實現(xiàn)更低的熱膨脹系數(shù)和更高的耐電強度 63
3.3 高磁導率和高介電常數(shù)復合材料 . 66
3.3.1　磁性介質(zhì)的用途 66
3.3.2　可用的磁化介質(zhì) 66
3.3.3　一個正在研究的例子 67
3.4 高耐熱復合材料  71
3.4.1 利用納米復合材料制備高耐熱復合材料的研究進展 71
3.4.2 耐熱性隨納米填料分散方法的不同而改變 73
3.4.3　耐熱性復合材料的實際應用 73
3.5　高介電常數(shù)、低介電常數(shù)復合材料 . 77
3.5.1　為什么需要高介電常數(shù)、低介電常數(shù)復合材料 77
3.5.2　添加高介電常數(shù)納米填料能否提高介電常數(shù) 79
3.5.3 添加低介電常數(shù)納米填料以降低介電常數(shù) 81
第4 章　聚合物納米復合材料的制備  85
4.1　反應沉淀法：溶膠­ 凝膠法  85
4.1.1　 溶膠­ 凝膠法能夠很好地實現(xiàn)納米填料在聚合物中的分散 . 85
4.1.2　溶膠­ 凝膠法的制備方法和注意點 . 85
4.1.3　哪些機理使聚合物納米復合材料產(chǎn)生不同的特性 87
4.1.4　溶膠­ 凝膠法制備的復合材料在日常生活中的應用 . 89
4.2　類球形填料的分散技術（熱塑性和熱固性樹脂）  90
4.2.1　所用的類球形納米填料是超精細的 90
4.2.2　各種樹脂用于制備聚合物納米復合材料 91
4.2.3　 通過分散類球形納米填料到聚合物中制備聚合物納米復合物 91
4.2.4 納米填料粒徑的控制是制備性能優(yōu)異的納米復合材料的關鍵 94
4.3 層狀結(jié)構填料的反應共混方法  95
4.3.1　層狀結(jié)構填料的單層厚度是1nm  95
4.3.2　有機化合物可以被帶入到相鄰層之間 96
4.3.3 層狀結(jié)構填料的剝離和分散 98
4.3.4　納米填料的分散狀態(tài)受到多種因素影響 98
4.3.5　已開發(fā)的各種均勻分散技術 101
4.4 納米填料表面改性有助于填料均勻分散  104
4.4.1　表面改性的重要性 104
4.4.2　表面改性的幾種可行方法 105
4.4.3　使用納米填料表面改性大填料顆粒 108
第5 章　納米復合技術極大提高了材料的介電性能 . 111
5.1　介電常數(shù)和介質(zhì)損耗：介電譜  111
5.1.1 用溫度介電譜和頻率介電譜評價介電常數(shù)和介質(zhì)損耗 111
5.1.2 微米復合材料的介電常數(shù)由組成比決定 113
5.1.3 納米填料的添加影響介電常數(shù)的高低 115
5.1.4 介電常數(shù)的反常下降引起極大關注 117
5.1.5　納米填料如何影響復合材料的介電常數(shù) 118
5.2 低電場電導 . 120
5.2.1 電導率是電氣絕緣最重要的參數(shù)之一 120
5.2.2　在某些情況下納米填料的加入導致電導率增大 122
5.2.3 在某些情況下納米填料的加入導致電導率減小 123
5.3 高電場和空間電荷積聚下的傳導電流  127
5.3.1　擊穿是否不可預知 127
5.3.2　空間電荷積聚是否預示著劣化或者電擊穿 129
5.3.3 即使在高直流電場下加入納米填料也能顯著抑制空間電荷積聚 131
5.3.4　為什么納米填料的加入能夠抑制空間電荷的注入 133
5.4 短時擊穿特性 . 136
5.4.1 短時擊穿特性測量方法 136
5.4.2 短時擊穿物理機制及其解釋 139
5.4.3 納米復合絕緣子的短時擊穿特性如何變化 140
5.4.4 填料狀態(tài)對改善短時擊穿特性的重要性 140
5.5　長時介質(zhì)擊穿（樹枝擊穿）  143
5.5.1　基于電樹枝形狀和V­t 特性評價聚合物的樹枝化擊穿  143
5.5.2 納米填料的添加極大延長了樹枝化擊穿壽命 145
5.5.3　納米填料在樹枝生長起始階段起什么作用 146
5.5.4　一個交叉現(xiàn)象的出現(xiàn)：電樹枝生長與電壓的關系 147
5.5.5　納米填料怎么作用于電樹枝生長過程 148
5.6 局部放電導致材料的劣化 . 149
5.6.1　基于侵蝕現(xiàn)象評價聚合物的耐局部放電特性 149
5.6.2 納米填料的添加極大提高了聚合物的耐局部放電特性 151
5.6.3　納米復合材料局部放電侵蝕的機理 153
5.7　絕緣劣化（水樹枝導致材料的劣化）  155
5.7.1　聚合物在水和電場協(xié)同作用下產(chǎn)生水樹枝 155
5.7.2 納米填料的添加抑制水樹枝的生長 157
5.7.3　納米填料在抑制水樹枝方面的作用 157
5.8　絕緣劣化（由電痕導致的材料劣化）  161
5.8.1　絕緣子表面污染將導致電痕的發(fā)生 161
5.8.2 斜面試驗和電弧試驗是評估絕緣子電痕和耐侵蝕的標準測試方法 161
5.8.3 納米填料的添加極大提高了耐電痕和侵蝕的能力 162
5.8.4 耐熱性的提高將導致耐電痕和侵蝕性的提高 164
5.9 電化學遷移導致材料的劣化  166
5.9.1　測試電遷移的原因 166
5.9.2　電遷移是怎樣的現(xiàn)象 166
5.9.3 多種電遷移的可靠性測試方法 168
5.9.4 空間電荷分布測量可用于評價電遷移 169
5.9.5　納米復合材料有望抑制電遷移 170
第6 章　納米復合絕緣材料的熱學和力學性能 . 174
6.1　熱學性能  174
6.1.1　熱學特性包括熱學性能、熱學性質(zhì)和耐熱性 174
6.1.2　通過納米填料調(diào)控環(huán)氧樹脂基復合材料的熱學特性 175
6.1.3　幾種典型聚合物在添加納米填料后熱學特性的改變 178
6.1.4　納米填料與聚合物的界面可以改變聚合物的熱學特性 180
6.2　力學性能  181
6.2.1 改善力學性能的聚合物復合材料在日常生活中的應用 181
6.2.2　按應力作用時間分類的各種力學性能 183
6.2.3　添加納米填料提高拉伸強度 184
6.2.4　添加納米填料提高彎曲特性 186
6.2.5　納米填料抑制裂痕擴散 187
6.2.6　納米復合材料的其他力學性能 188
6.3 長期特性  191
6.3.1 通過納米復合改善聚合物的耐熱性 191
6.3.2 通過納米復合改善聚合物的耐疲勞性 193
第7 章　聚合物納米填料界面結(jié)構 . 197
7.1　界面有體積 . 197
7.1.1　界面是什么 197
7.1.2　無機填料和有機聚合物間界面的特征 197
7.1.3　多種界面模型的提出 199
7.2　界面的物理化學分析方法 . 203
7.2.1　填料的形狀、尺寸和分散性可用SEM 和TEM 評價  203
7.2.2 填料的含量可用測量納米復合材料密度來評估 205
7.2.3　填料間距在宏觀和微觀尺度下的評估 205
7.2.4　研究有機和無機鍵合態(tài)的一些方法 207
第8 章　 聚合物納米復合材料可視化的計算機模擬方法：
闡明提高納米復合材料性能的機理. 211
8.1　非經(jīng)驗（從頭算）分子軌道方法 . 211
8.1.1 納米復合材料的計算機模擬研究剛剛起步 211
8.1.2 什么是從頭算方法 211
8.1.3 用從頭算方法能得到什么 212
8.1.4 從頭算方法應用到大尺度體系面臨的挑戰(zhàn) 214
8.2 用粗?；肿觿恿W方法模擬納米復合材料的性能  215
8.2.1 什么是分子動力學 215
8.2.2 粗粒化分子動力學的應用實例 219
第9 章　結(jié)語：關注環(huán)境與展望未來  224
9.1 關于納米填料處理的必要認知  224
9.1.1 納米填料對人體和環(huán)境的影響 224
9.1.2 納米填料風險評估進展 224
9.1.3 納米填料的處理指南 227
9.2 未來展望  228
9.2.1 國際關注度逐年上升 228
9.2.2 納米復合絕緣材料的實用化探索 230
9.2.3 打開未來聚合物納米復合材料的大門 232