介电梯度材料及其应用制造技术

一种介电梯度材料，所述介电梯度材料包括基体材料及填料颗粒，所述填料颗粒分散于所述基体材料中，所述填料颗粒包括无机颗粒，所述无机颗粒至少包括一种磁性材料；所述介电梯度材料包括第一区域、第二区域及介于第一区域与第二区域之间的第三区域，位于所述第一区域中的所述填料颗粒包括第一部分无机颗粒及第二部分无机颗粒，所述第一部分无机颗粒呈富集状态，所述第二部分无机颗粒在所述第一区域呈链状排列，所述填料颗粒在所述第二区域中呈无序分布。本发明专利技术还提供一种所述介电梯度材料的应用。本发明专利技术所提供的介电梯度材料，其介电常数以及填料密度都呈梯度分布，同时部分填料颗粒呈链状排列。

Dielectric gradient materials and their applications

【技术实现步骤摘要】
介电梯度材料及其应用
本专利技术涉及绝缘材料
，尤其涉及一种介电梯度材料及其应用。
技术介绍
随着电力系统向超/特高压、大容量输电方向发展，以及脉冲功率、高功率微波、高功率半导体器件等高新技术装备向高电压、小型化方向发展，对电气绝缘性能的要求日趋严苛，设备运行过程中由于绝缘系统，特别是固体绝缘故障造成的问题也日益突出。一般认为，电场的不均匀度较高(局部电场畸变)是导致绝缘击穿、沿面闪络的根本原因。在不同介质的分界面，如电极、绝缘和气体三结合点处，由于介电参数的急剧变化，使得电场分布不均匀，局部电场畸变严重，容易产生一次电子导致局部放电，一方面加剧绝缘材料老化，另一方面引发沿面闪络。利用功能梯度材料(FunctionallyGradedMaterial，FGM)的理念，构建的介电参数非均匀分布的绝缘结构，在均化交流电场以及脉冲电场分布、提升绝缘系统的耐电性能以及简化绝缘结构等方面优势明显，应用潜力巨大。然而介电梯度材料制备方法的操作性、灵活性、效率和成本决定了介电梯度材料应用前景。目前，现有的介电梯度材料制备方法包括了离心浇注法、叠层法、电泳法以及磁控溅射法。通过离心浇注法制得的材料梯度结构分布受制于离心过程的物理规律，难以满足绝缘设计的需求，其灵活性和可控性较差，难以在工业中大规模应用。叠层方法制备的产品例如盘式及支柱介电梯度绝缘子，其介电常数随绝缘子半径或高度呈单调或U形变化，正极性雷电冲击电压下的沿面闪络强度提升了10％～25％；但叠层法无法实现一次一体成型，容易存在层间结合的缺陷，层与层之间的介电特性跳变与优化设计结果指向不符。利用电泳技术驱动带电粒子运动，实现颗粒物浓度的梯度变化，进而构建介电梯度材料。上述三种技术都是引入高介电常数的颗粒，并增大复合材料局部的颗粒物浓度来提高局部的介电常数。这类颗粒物无序分布时能够获得的最高介电常数受到限制，如果添加的体积分数较小，则复合材料的介电常数变化不大，优化电场的效果较弱；如果添加的体积分数过高，这会增大混合物的粘度，不利于浇注成型工艺。现还有一种制备方法利用磁控溅射法将靶材(二氧化钛和钛酸钡等)溅射到盆式绝缘子表面，通过控制不同区域的溅射时长，实现2D薄膜介电常数的梯度分布。然此技术实现的是2D的介电分布，对3D绝缘子的介电常数的影响有限，应用前景仍受到限制。利用介电梯度材料均化电场并提高绝缘性能的有效性已经被众多研究所验证，然而通过离心浇注法、叠层法、电泳法以及磁控溅射法等手段，使颗粒在局部无序聚集，这种方法所获得的介电常数提升有限，无法提供极不均匀电场所需要的大梯度介电分布。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种大梯度介电分布的介电梯度材料。另，还有必要提供一种所述介电梯度材料的应用。一种介电梯度材料，所述介电梯度材料包括基体材料及填料颗粒，所述填料颗粒分散于所述基体材料中，所述填料颗粒包括无机颗粒，所述无机颗粒至少包括一种介电常数大于40的磁性材料；磁性材料；所述介电梯度材料包括第一区域、第二区域及介于第一区域与第二区域之间的第三区域，位于所述第一区域中的所述填料颗粒包括第一部分无机颗粒及第二部分无机颗粒，所述第一部分无机颗粒呈富集状态，所述第二部分无机颗粒自所述第一区域至所述第二区域的方向呈链状排列，所述填料颗粒在所述第二区域中呈无序分布，所述填料颗粒在所述第三区域中呈有序到无序的过渡分布；所述填料颗粒的密度呈梯度分布于所述基体材料中，位于所述第一区域的所述填料颗粒的密度大于或等于位于所述第三区域的所述填料颗粒的密度。进一步地，位于所述第二区域的所述介电梯度材料的介电常数是所述基体材料的1-5倍，位于所述第一区域的所述介电梯度材料的介电常数是位于第二区域的所述介电梯度材料的介电常数的1-50倍，位于所述第三区域的所述介电梯度材料的介电常数介于位于第一区域的所述介电梯度材料的介电常数和位于第二区域的所述介电梯度材料的介电常数之间。进一步地，位于所述第三区域的所述填料颗粒的密度大于或等于位于所述第二区域的所述填料颗粒的密度。进一步地，所述填料颗粒包括陶瓷、无机金属化合物及非金属化合物中的至少一种。进一步地，所述介电梯度材料中还包括促进剂、固化剂、消泡剂以及偶联剂中的一种或多种。进一步地，所述基体材料包括热固性塑料、热塑性塑料以及橡胶中的至少一种。进一步地，所述基体材料为环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯、硅橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶以及硫化硅橡胶中的至少一种。进一步地，所述填料颗粒的粒径小于50μm；所述填料颗粒为二氧化钛与四氧化三铁或者钛酸钡与四氧化三铁构建的核壳结构粒子中的至少一种。一种所述介电梯度材料在电力装备以及电子元器件中的应用。进一步地，所述电力装备包括盆式绝缘子、支撑绝缘子、复合绝缘子以及复合套管，所述电子元器件包括绝缘栅双极型晶体管，所述介电梯度材料还作为绝缘涂层应用于所述电力装备及所述电子元器件上。本专利技术所提供的介电梯度材料，包括基体材料及填料颗粒，其中填料颗粒在基体材料在部分区域呈链状的有序排列，在除所述部分区域外逐渐呈无序排列，同时在有序排列的区域到无序排列的区域其填料颗粒的密度呈逐渐减小的趋势，从而构建了介电常数以及填料密度都呈梯度分布的介电梯度材料；同时链状排列的方向与所述介电梯度材料应用于电场中电场的方向一致，从而所述介电梯度材料能够较好的适用于高电场场强分布的环境中。附图说明图1为本专利技术实施例提供的基于磁场及电场协同诱导的介电梯度材料的制备方法流程图。图2为本专利技术实施例的介电梯度材料根据不同模型计算的介电常数分布图。图3为本专利技术提供的介电梯度材料的示意图。图4为本专利技术具体实施例中施加磁场与电场的圆盘形模具示意图。图5A为实施例制备的介电梯度材料的光学显微镜测试图；图5B为图5A所示的介电梯度材料在距离内电极最近区域的放大图；图5C为图5A所示的介电梯度材料在距离内电极居中区域的放大图；图5D实施例制备的介电梯度材料在距离内电极最远区域的光学显微镜测试图。主要元件符号说明第一区域S1第二区域S2第三区域S3原点A圆环B如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，所描述的实施方式仅仅是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。在本专利技术的各实施例中，为了便于描述而非限制本专利技术，本专利技术专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种介电梯度材料，其特征在于，所述介电梯度材料包括基体材料及填料颗粒，所述填料颗粒分散于所述基体材料中，所述填料颗粒包括无机颗粒，所述无机颗粒至少包括一种介电常数大于40的磁性材料；所述介电梯度材料包括第一区域、第二区域及介于第一区域与第二区域之间的第三区域，位于所述第一区域中的所述填料颗粒包括第一部分无机颗粒及第二部分无机颗粒，所述第一部分无机颗粒呈富集状态，所述第二部分无机颗粒在所述第一区域呈链状排列，所述填料颗粒在所述第二区域中呈无序分布，所述填料颗粒在所述第三区域中呈有序到无序的过渡分布；所述填料颗粒的密度呈梯度分布于所述基体材料中，位于所述第一区域的所述填料颗粒的密度大于或等于位于所述第三区域的所述填料颗粒的密度。

【技术特征摘要】
1.一种介电梯度材料，其特征在于，所述介电梯度材料包括基体材料及填料颗粒，所述填料颗粒分散于所述基体材料中，所述填料颗粒包括无机颗粒，所述无机颗粒至少包括一种介电常数大于40的磁性材料；所述介电梯度材料包括第一区域、第二区域及介于第一区域与第二区域之间的第三区域，位于所述第一区域中的所述填料颗粒包括第一部分无机颗粒及第二部分无机颗粒，所述第一部分无机颗粒呈富集状态，所述第二部分无机颗粒在所述第一区域呈链状排列，所述填料颗粒在所述第二区域中呈无序分布，所述填料颗粒在所述第三区域中呈有序到无序的过渡分布；所述填料颗粒的密度呈梯度分布于所述基体材料中，位于所述第一区域的所述填料颗粒的密度大于或等于位于所述第三区域的所述填料颗粒的密度。2.根据权利要求1所述的介电梯度材料，其特征在于，位于所述第二区域的所述介电梯度材料的介电常数是所述基体材料的1-5倍，位于所述第一区域的所述介电梯度材料的介电常数是位于第二区域的所述介电梯度材料的介电常数的1-50倍，位于所述第三区域的所述介电梯度材料的介电常数介于位于第一区域的所述介电梯度材料的介电常数和位于第二区域的所述介电梯度材料的介电常数之间。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：申子魁，贾志东，王希林，张天枫，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44