水分吸收和纳米SiO2掺杂对PDMS介电性能及空间电荷积累的影响

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：Influence of Moisture Absorption and Nano-SiO2 Doping on Dielectric Properties and Space Charge Accumulation in PDMS

介电弹性体（DEs）在海洋波浪能转换中的应用面临湿度与高直流电压下的空间电荷挑战。本文通过气候箱高湿（97%）及海水浸泡实验，研究PDMS基复合材料的水吸收效应。实验表明，纳米SiO2改性有效抑制电荷积累（降低50%以上），改善电场分布，但湿度升高导致介电损耗增加（达30%）、击穿强度下降（约15%）。空间电荷特性与载流子迁移率呈正相关，高场强加速水分子电离作用，揭示湿度通过影响界面陷阱和离子传输机制改变DE性能。

　　

摘要：

具有柔顺电极的介电弹性体（DEs）在聚合物能量转换器中得到广泛应用。例如，在海洋波浪能量转换中，波浪的势能被直接转化为电能。不可避免地，DE材料会暴露在海水中，这可能会影响其机械和电性能，从而缩短其使用寿命。此外，当此类系统由高直流电压驱动时，空间电荷传输可能会扭曲介电体内的电场分布，对击穿性能产生潜在的负面影响。本文使用商用DE材料制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）和PDMS/二氧化硅（SiO2）纳米复合材料。这些纳米复合材料中包含少量经过表面处理的或未经过表面处理的纳米SiO2。样品被置于高湿度（97%）的气候箱中，温度为℃，以吸收不同时间的水分。为了加速薄膜吸水过程，一些样品被浸入去离子水中或制备的海水中。本文讨论了水分吸收对PDMS和PDMS/SiO2纳米复合材料介电性能的影响，并利用脉冲电声（PEA）方法分析了在不同直流电场下的空间电荷特性。结果表明，引入纳米SiO2改善了PDMS的介电性能，减少了电荷积累，即使在水分吸收后也几乎不会导致电场分布的扭曲。在PDMS和PDMS/SiO2纳米复合材料中，水分吸收都会导致介电损耗和导电性的增加，同时50 Hz交流和直流击穿强度降低。研究还发现，载流子迁移率的增加会导致更大的电荷积累和更严重的电场扭曲。

引言

近年来，波浪能量转换器（WECs）的发展引起了可再生能源领域研究人员的关注[1]、[2]、[3]。其中一种有前景的方法是使用介电弹性体（DE），因为它具有优异的机械柔顺性、较大的应变能力、高能量密度、快速响应时间和低损耗[4]、[5]、[6]。迄今为止，人们已经通过添加填料和化学改性[7]、[8]来改善DE材料的机电性能和介电性能。在海洋波浪能量转换器中，可拉伸的DE通常在能量收集和转换的充放电过程中承受反复的高电压脉冲——通常在千伏范围内。这些脉冲的频率根据系统设计而定，通常在约0.1 Hz左右。由于存在直流电压分量，空间电荷积累及其对介电击穿性能的影响成为关键问题。Kochetov等人[9]指出，在电场强度约为20 kV/mm时，DE薄膜中会发生显著的空间电荷积累。在我们之前的研究[10]中，我们发现即使在10 kV/mm时也会开始出现明显的电荷积累，并且在20 kV/mm时积累速率显著增加。另一个复杂因素是，在海上运行时，WEC系统会暴露在盐水中，这被认为是导致DE介电性能退化的重要因素之一[11]、[12]。文献中还研究了高湿度对不同类型聚合物绝缘材料中电荷形成的影响。Montanari和Palmieri[13]研究了不同湿度对交联聚乙烯（XLPE）中空间电荷积累的影响。他们发现，在高相对湿度下，高电场下的电荷包会消失，这归因于浅层陷阱密度的增加。Zou等人[14]提出了一个“水壳”模型来描述聚合物纳米复合材料中二氧化硅（SiO₂）周围的额外水分，认为水壳的渗透增强了环氧基体中的有效载流子迁移率。在大规模应用中，水壳的厚度对于形成导电路径非常重要。Yang等人[15]发现，在高电场下水分吸收后，MgO/LDPE纳米复合材料的电荷抑制作用不再显著。他们认为水分破坏了填料与基体之间的电荷抑制界面。此外，固有的水分可能会引入离子载流子，从而增加导电性，同时水分含量还会影响电子表面陷阱。另外，含有添加剂和副产物的绝缘材料可能对水分更加敏感，因为这些物质在潮湿环境中更容易被电离[16]、[17]。对于DE材料，研究表明相对湿度和水蒸气含量会对硅橡胶的击穿强度产生负面影响。Shen等人[18]研究了电场对硅橡胶吸水特性的影响，发现交流电场对吸水过程没有显著影响，而直流电场则有轻微影响，可能是由于它减缓了水分子的随机运动。Chen等人[19]报告称，环境相对湿度从0%增加到80%时，所研究的DE的击穿场强降低了约20%。在高湿度下击穿场强的降低可以解释为水滴在高电场下携带或促进外源/内源带电物种传输的加速作用，但这仍属于推测性解释。Albuquerque和Shea[20]也报告称，高湿度会导致硅橡胶的介电击穿强度降低。尽管许多研究人员研究了介电材料吸水后的介电性能，但其影响机制仍需进一步阐明。此外，文献中几乎没有人关注受水分吸收影响的DE材料的空间电荷动态，据我们所知，目前还没有研究海水对聚二甲基硅氧烷（PDMS）介电性能的影响。