关于提高和调节高压电力设备用硅胶封装绝缘性能的研究机制

《Polymer Degradation and Stability》：Research on the improvement and regulation mechanism of silicone gel encapsulation insulation performance for high-voltage power devices

硅胶基复合绝缘材料中h-BN掺杂对绝缘性能的影响及机制研究，通过微观结构和分子动力学模拟发现2%掺杂量使材料耐压提升39.99%，优化了热稳定性与热导率协同性能，为宽禁带器件封装提供新方案。

　　本研究聚焦于高功率密度和极端工作条件下，电力电子设备包装绝缘材料的可靠性问题。随着电力设备向更高功率密度和更严苛的运行环境发展，对包装材料的性能提出了更高的要求。当前，硅胶因其出色的耐热性、耐候性和电气绝缘性能，已成为高电压电力电子设备封装的主流材料。然而，在长期运行中，硅胶需要承受频繁开关操作所带来的脉冲电压，这些电压具有高重复频率和陡峭的电压上升率。这种特殊的工作条件对硅胶封装绝缘的可靠性提出了挑战，因此有必要对硅胶复合绝缘材料进行性能优化研究。

本研究采用六方氮化硼（h-BN）作为填料，通过物理改性方法制备硅胶基复合绝缘材料，并探讨了BN掺杂对绝缘性能的影响及其作用机制。研究结合了微观结构分析和分子动力学模拟，揭示了BN掺杂如何影响材料的结构特性。实验结果表明，适量的BN掺杂能够提高材料的交联密度，使其结构更加紧密，从而显著提升复合材料的击穿电压。然而，当BN掺杂比例过高时，由于填料聚集所引入的绝缘缺陷，会导致击穿电压下降。研究发现，当BN掺杂含量为2%时，击穿电压达到最高，且在100 V/ns的高电压上升率条件下，绝缘性能的提升更为显著。

在电学性能方面，BN掺杂对材料的介电特性产生了重要影响。研究发现，界面处的电荷迁移主导了介电性能的变化，这使得在低频区域的界面极化效应更加明显，而在高频区域则表现出更强的导电极化现象。同时，材料的相对介电常数的实部和虚部均随着BN掺杂的增加而提高。这一发现不仅揭示了BN在硅胶复合绝缘材料中的作用机制，也为优化材料的电气性能提供了理论依据。

此外，本研究还关注了材料的其他关键性能指标，如热性能和机械性能。这些性能对于确保电力设备在复杂工作条件下的长期可靠性至关重要。通过实验，研究进一步分析了硅胶复合材料的热稳定性、导热性和渗透性，并对其综合性能进行了系统评估。结果显示，BN掺杂在提升材料绝缘性能的同时，也带来了显著的热导率和热稳定性的改善，这表明BN的掺杂具有多性能协同优化的潜力。

研究还发现，BN的掺杂不仅影响材料的微观结构，还通过改变填料与基体之间的相互作用，对材料的介电行为产生深远影响。在实验过程中，采用KH560对纳米填料进行表面改性，使其能够与硅胶基体更好地结合。改性后的h-BN在硅胶基体中形成均匀的涂层，有效减少了材料中的自由体积，提高了材料的结构密度。这种结构的优化不仅有助于提升击穿电压，还能够增强材料的热稳定性和导热性，为高功率密度电力设备的封装提供了更可靠的绝缘解决方案。

在实际应用中，硅胶复合绝缘材料的性能优化需要综合考虑多种因素。例如，填料的分散性、填料与基体的相容性、材料的交联程度以及界面处的电荷迁移行为，都会对最终的性能产生影响。因此，研究不仅关注BN掺杂对绝缘性能的提升，还通过实验和模拟方法揭示了其作用机制，为材料的工程应用提供了理论支持和技术指导。

从实验结果来看，BN掺杂在提升材料性能方面具有显著优势。然而，研究也发现，当BN掺杂比例过高时，填料的聚集现象会显著影响材料的性能，甚至降低其击穿电压。这表明，BN掺杂并非越多越好，而是需要在一定的掺杂比例范围内进行优化。研究通过实验确定了最佳的BN掺杂比例，并发现当BN含量为2%时，材料的绝缘性能、热稳定性和导热性均达到最佳状态。这为后续的工程应用提供了重要的参考依据。

此外，本研究还对硅胶复合绝缘材料的高电压上升率（du/dt）耐受性能进行了深入探讨。实验发现，硅胶复合材料在高du/dt条件下的击穿电压表现优于纯硅胶材料。这表明，BN的掺杂不仅能够提升材料的静态绝缘性能，还能够增强其在动态条件下的可靠性。这一发现对于高功率密度电力电子设备的封装具有重要意义，因为这些设备在运行过程中需要承受高du/dt的冲击，而材料的动态性能直接影响设备的使用寿命和运行稳定性。

在工程应用方面，硅胶复合绝缘材料的性能优化需要考虑实际应用场景中的各种因素。例如，材料的耐候性、耐热性、机械强度以及介电性能，都需要在不同条件下进行验证。本研究通过实验和模拟方法，系统地分析了BN掺杂对这些性能的影响，为材料的工程应用提供了全面的性能评估。同时，研究还指出，BN掺杂在提升材料性能的同时，也能够改善其热导率和热稳定性，这使得硅胶复合材料在高功率密度和极端环境下的应用更加可靠。

综上所述，本研究通过系统分析和实验验证，揭示了BN掺杂对硅胶复合绝缘材料性能的影响及其作用机制。研究发现，适量的BN掺杂能够有效提升材料的绝缘性能、热稳定性和导热性，而过高的掺杂比例则可能导致填料聚集，从而降低材料的击穿电压。因此，BN掺杂的比例需要在优化范围内进行控制，以确保材料在不同工作条件下的性能稳定。这一研究结果为高功率密度电力电子设备的封装提供了新的思路和方法，具有广泛的应用前景。