具有非线性介电常数的电介质材料制造技术

本发明专利技术提供了一种组合物，所述组合物包含：聚合物材料；分散在所述聚合物材料中的填料材料，所述填料材料包含无机粒子和不连续地分布的导电材料，其中所述导电材料中的至少一部分与所述无机粒子持久电接触；和分散在所述聚合物材料中的导电材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有非线性介电常数和适用于电应力消除的其他性质的电介质材料。
技术介绍
高介电常数(Hi-K)弹性体复合材料常常被用在电缆附件中以控制接头和终端处聚集的电场应力。通常，这些材料为填充炭黑的弹性体如EPDM和聚硅氧烷，其赋予一定范围的介电(K)值以便消除应力。这些弹性体复合材料还含钛酸钡(BT)或具有非常高的介电常数(Hi-K)的无机填料。为使这些复合材料获得高介电常数，通常需要高的填料填充量(>50体积％)。这样的高填充量将急剧降低所得复合材料的加工性能和机械性能。对于许多聚合物基体来说，这些水平的填充量不是非常实用。对于填充碳的复合材料，炭粉的体积填充量应接近渗滤阈值，而这是非常难以控制的。对于一些基于聚硅氧烷的体系，Hi-K聚合物型添加剂如环氧氯丙烷已被用来增加所得复合材料的介电常数。这些类型的复合材料总体上具有高的介电损耗(耗散因数)。因此,这样的复合材料可能导致电介质材料中温度的升高，其可能超出连接器和电缆的热负荷能力。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例提供了一种新型组合物，所述组合物包含聚合物材料；分散在所述聚合物材料中的填料材料，所述填料材料包含无机粒子和不连续地分布的导电材料，其中所述导电材料中的至少一部分与所述无机粒子持久电接触；和分散在所述聚合物材料中的导电材料。本专利技术的另一个实施例提供了一种新型制品，所述制品包含电应力控制装置，所述电应力控制装置包含分散在聚合物材料中的填料材料，所述填料材料包含无机粒子和不连续地分布的导电材料，其中所述导电材料中的至少一部分与所述无机粒子持久电接触；和分散在所述聚合物材料中的导电材料。本专利技术的另一个实施例提供了一种制造电应力控制装置的新型方法，所述方法包括形成填料材料，所述填料材料包含无机粒子和不连续地分布的导电材料，其中所述导电材料中的至少一部分与所述无机粒子持久电接触，将所述填料材料共混进聚合物材料中以形成聚合物组合物，和 将所述聚合物组合物形成为应力控制装置。如本专利技术中所用导电材料与无机粒子间的“电接触”指一部分导电材料与无机粒子接触或在物理位置上充分接近，以致电荷可在导电材料和无机粒子间穿行，从而使得电流可以在低于聚合物材料的击穿电压的施加的电压场下直接流动或通过形成欧姆接触跳跃或隧道效应而流动；“持久电接触”指该电接触不因组合物加工步骤过程中遇到的混合和剪切力而大大改变；和“渗滤阈值”指必须被填充以最初创立无限连续的导电通路的晶格点临界分数。以上专利技术概述并非旨在描述本专利技术的每一个公开的实施例或每种实施方式。以下附图和详细说明更具体地举例说明了示例性实施例。附图说明 图I为根据本专利技术的一个实施例的其上附加了炭粉的钛酸钡粒子的扫描电子显微镜(SEM)数字图像。图2为含图I中所示粒子的聚合物组合物的横截面的SEM数字图像。图3为根据本专利技术的一个实施例的经纳米二氧化硅粒子改性的钛酸钡粒子的SEM数字图像。图4为含图3中所示粒子的聚合物组合物的横截面的SEM数字图像。图5示出了本专利技术的材料和比较材料的介电常数随电场的变化。图6示出了本专利技术的材料的介电常数随电场的变化。图7示出了本专利技术的材料和比较材料的介电常数随电场的变化。图8示出了本专利技术的材料的介电常数随电场的变化。图9示出了 25kV下本专利技术的材料的介电常数随电场的变化。具体实施例方式在下面优选实施例的详细说明中，参考了作为本文一部分的附图。附图以举例说明的方式示出了其中可实施本专利技术的具体实施例。应当理解，在不脱离本专利技术范围的前提下，可以采用其他实施例，并且可以进行结构性或逻辑性的修改。因此，下列具体实施方式不应从限制的意义上去理解，本专利技术的范围仅由所附权利要求书限定。本专利技术的实施例包括新型填料材料，例如图I中所示的那种。所述填料材料包括其上以持久电接触方式附加了导电材料(如导电粒子)的无机粒子。导电材料以在无机粒子和导电材料之间提供充分的电(例如静电)吸引或化学吸引从而抑制在处理和后续材料加工步骤过程中导电材料从无机粒子分离的方式施加到无机粒子，这将在后面更详细地说明。然后可将所述以持久电接触方式附加了导电材料的无机粒子添加到聚合物材料以形成电介质组合物。这些组合物比常规的填充碳的聚合物具有显著更好的电性能。在一些实施例中，所述组合物首先通过向钛酸钡(一种无机铁电陶瓷)粒子的表面以持久电接触的方式附加高度结构化形式的导电炭粉并然后如图2中所示分散在聚硅氧烷聚合物(具有SiO骨架的聚合物)基体中而制备，其中所述导电炭粉具有高空隙率和高电导率，例如可以商品名 ENSACO 250G 从 TimCal Graphite&Carbon Corp.，Bodio, Switzerland买到且标称粒径为40nm的那些。固化后所得弹性体组合物具有高介电常数(>20)、低损耗(〈O. 04)和高电介质击穿强度(>140V/mil)并出乎意料地表现出场相关性电容率(非线性)。这些不导电(低损耗)组合物表现出介电常数随电场增大而逐渐增大的独特非线性性质。在一些优选的实施例中，组合物中钛酸钡体积填充量高于20体积％且钛酸钡与碳的体积百分数比率介于约6到约12之间。但这些组合物的断裂伸长率低于约150%，故其最适合于不需要优异的机械性能的应用。在本专利技术的其他实施例中，既获得良好的机械性能又获得独特的非线性电性能。在这些实施例中，组合物包括由(a)高介电常数填料如纳米二氧化硅(即纳米尺寸二氧化硅粒子)改性的钛酸钡(25体积％)、(b)炭粉(3. O体积％)和(c)硅油(包含具有SiO骨架的低聚物的油)(10体积％)在硅橡胶基体中组成的弹性体复合材料。纳米二氧化硅改性的钛酸钡与硅油添加剂的独特组合大大提高填料(钛酸钡)在聚硅氧烷基体中的分散和增强。因此，该组合物表现出改进的机械性能(断裂伸长率>300%、拉伸强度372-520psi)和电性能(介电常数23-30、耗散因数〈O. 05、击穿强度180-210V/mil)并具有提供改进的脉冲性能的优选电导率分布。这些改进的性能使得本专利技术的组合物和制品的至少一些实施例特别适用于需要优异的机械性能的高压电缆附件中的应力控制，例如冷缩应用。一些改进的性能通过使用纳米二氧化硅改性的填料(钛酸钡)与硅油添加剂的独特组合改进填料在硅橡胶中的分散和增强获得。图3示出了纳米二氧化硅改性的填料的一个实例。该复合材料在整个聚硅氧烷基体中表现出均匀的粒子分布，如图4所示，并还具有大大改进的电性能。对于本专利技术的无机粒子，合适的材料包括例如BaTiO3粒子、BaSrTiO3粒子、CaCu3Ti4012粒子(包括例如在800°C的温度下煅烧或烧结的粒子)和SrTiO3粒子或它们的混合物。这样的粒子可以是纯净的或者可以是改性的，例如通过掺杂或通过加入其他成分。优选无机粒子的相对介电常数高于80。无机粒子可以具有任何合适的形状，例如球、板、小片、立方体、针、扁圆、椭圆体、棱锥、棱柱、薄片、棒、纤维、碎片、须等或它们的混合物。无机粒子的合适尺寸如直径的下限为约O. 7 μ m到约I. O μ m，上限为约O. 8 μ m到约2. I μ m。 本专利技术人发现，本专利技术的组合物的至少一些实施例的机械性能可通过用纳米二氧化硅改性无机粒子得到提高。例如，据发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.14 US 61/286,2471.一种组合物，所述组合物包含 聚合物材料， 分散在所述聚合物材料中的填料材料，所述填料材料包含无机粒子和不连续地分布的导电材料， 其中所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触，和 分散在所述聚合物材料中的导电材料。2.根据权利要求I所述的组合物，其中所述导电材料选自炭黑、碳纳米管、碳粒子团簇、石墨、具有导电涂层的绝缘粒子、金属，所述金属如银、金、钯和铝和这些金属的合金，及它们的组合。3.根据权利要求I所述的组合物，其中所述填料的导电材料与分散在所述聚合物材料中的导电材料不同。4.根据权利要求I所述的组合物，其中所述组合物中导电材料的总量介于取得组合物的渗滤阈值所需导电材料的量的约40到约70体积％之间。5.根据权利要求I所述的组合物，所述组合物还包括当施加的电压改变时以非线性方式改变的相对介电常数值。6.根据权利要求I所述的组合物，其中所述无机粒子与导电材料的体积比率为约6到约12。7.根据权利要求I所述的组合物，其中所述组合物中所述无机粒子的体积填充量为约20到约40体积％。8.根据权利要求I所述的组合物，其中所述聚合物材料为聚硅氧烷，所述填料材料为纳米二氧化硅改性的钛酸钡，所述导电材料为碳，且所述组合物还包含硅油。9.一种制品，所述制品包含 电应力控制装置，所述电应力控制装置包含分散在聚合物材料中的填料材料，所述填料材料包含无机粒子和不连续地分布的导电材料， 其中所述导电材料的至少一部分与所述无机粒子持久电接触；和...

【专利技术属性】
技术研发人员：纳纳亚克拉·L·D·索马西里，小吉米·R·巴兰，安德鲁·C·洛特斯，蒋鸽，巴德理·维尔拉哈万，保罗·V·忽恩，迪帕克·高希，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：