先进纳米电介质：基础和应用

第1 章　绪论：聚合物纳米复合材料的魅力  1
1.1 添加少量填料的纳米复合材料  1
1.1.1 球形纳米填料复合材料的制备方法 2
1.1.2 层状纳米填料复合材料的制备方法 2
1.2 纳米复合材料的广泛应用 . 3
1.3 纳米复合材料优异的介电与绝缘性能  3
1.4 微纳米复合材料耐电强度与其他工程性能的平衡  5
1.4.1 热膨胀系数和耐电强度 5
1.4.2 热导率和耐电强度 6
1.5 纳米复合材料中界面的主导作用 . 6
1.6 纳米复合材料源于纳米技术和胶体科学  7
1.6.1 纳米技术的概念 7
1.6.2 胶体科学阐述的界面概念 7
1.6.3 复合材料技术沿革 8
1.6.4 聚合物纳米复合材料的诞生 8
1.7 纳米复合材料的光明前景 . 9
第2 章 电气和电子领域潜在的应用  11
2.1 电力设备和电缆  11
2.1.1 SF6 气体既有优异的性能又会造成温室效应 . 11
2.1.2 使用无温室效应气体开发环境友好型电力设备 12
2.1.3 电力设备用纳米复合绝缘材料研发 14
2.2 电机绕组用高性能、长寿命电磁线 . 21
2.2.1 变频脉冲下局部放电诱发的电机绝缘击穿 21
2.2.2 多因素决定逆变器脉冲局部放电起始电压 22
2.2.3 纳米复合电磁线的介电性能取决于纳米填料的分散状态 25
2.2.4 纳米复合材料极大提高逆变器耐受脉冲寿命 27
2.2.5 纳米填料抑制电磁线局部放电老化的机理 28
2.2.6 耐浪涌纳米复合电磁线在电机产品中的应用与国际标准制定 29
2.3 户外聚合物绝缘子  31
2.3.1 聚合物绝缘子的轻质复合结构 31
2.3.2 聚合物绝缘子应具备的性能 32
2.3.3 采用纳米复合材料提高耐侵蚀性 33
2.3.4　添加纳米填料可增强界面结合强度 34
2.3.5 纳米复合绝缘子的技术展望 36
2.4 电子器件用高密度组件 . 39
2.4.1　轻质、复合结构聚合物绝缘 39
2.4.2　纳米复合材料作为电子元器件封装树脂的有效性 40
2.4.3　电子设备绝缘衬底用高热耗散、高热导率微纳米复合材料 46
第3 章　介电性能和其他工程性能的兼容性  52
3.1 高热导率高耐电强度复合材料  52
3.1.1 激光闪射法测量热导率 52
3.1.2 通过填充微米填料提高聚合物热导率 53
3.1.3 通过改进界面进一步提高热导率 55
3.1.4　填充微米填料降低耐电强度 56
3.1.5　相容性配方：纳米填料和微米填料的巧妙配合 56
3.1.6 具有高热导率和高耐电强度的复合材料 58
3.2 低热膨胀系数高耐电强度复合材料 . 60
3.2.1 热膨胀系数是浇注制品重要的材料性能参数 60
3.2.2　使用纳米复合材料可以降低热膨胀系数、提高耐电强度 61
3.2.3　 混合添加微米、纳米填料实现更低的热膨胀系数和更高的耐电强度 63
3.3 高磁导率和高介电常数复合材料 . 66
3.3.1　磁性介质的用途 66
3.3.2　可用的磁化介质 66
3.3.3　一个正在研究的例子 67
3.4 高耐热复合材料  71
3.4.1 利用纳米复合材料制备高耐热复合材料的研究进展 71
3.4.2 耐热性随纳米填料分散方法的不同而改变 73
3.4.3　耐热性复合材料的实际应用 73
3.5　高介电常数、低介电常数复合材料 . 77
3.5.1　为什么需要高介电常数、低介电常数复合材料 77
3.5.2　添加高介电常数纳米填料能否提高介电常数 79
3.5.3 添加低介电常数纳米填料以降低介电常数 81
第4 章　聚合物纳米复合材料的制备  85
4.1　反应沉淀法：溶胶­ 凝胶法  85
4.1.1　 溶胶­ 凝胶法能够很好地实现纳米填料在聚合物中的分散 . 85
4.1.2　溶胶­ 凝胶法的制备方法和注意点 . 85
4.1.3　哪些机理使聚合物纳米复合材料产生不同的特性 87
4.1.4　溶胶­ 凝胶法制备的复合材料在日常生活中的应用 . 89
4.2　类球形填料的分散技术（热塑性和热固性树脂）  90
4.2.1　所用的类球形纳米填料是超精细的 90
4.2.2　各种树脂用于制备聚合物纳米复合材料 91
4.2.3　 通过分散类球形纳米填料到聚合物中制备聚合物纳米复合物 91
4.2.4 纳米填料粒径的控制是制备性能优异的纳米复合材料的关键 94
4.3 层状结构填料的反应共混方法  95
4.3.1　层状结构填料的单层厚度是1nm  95
4.3.2　有机化合物可以被带入到相邻层之间 96
4.3.3 层状结构填料的剥离和分散 98
4.3.4　纳米填料的分散状态受到多种因素影响 98
4.3.5　已开发的各种均匀分散技术 101
4.4 纳米填料表面改性有助于填料均匀分散  104
4.4.1　表面改性的重要性 104
4.4.2　表面改性的几种可行方法 105
4.4.3　使用纳米填料表面改性大填料颗粒 108
第5 章　纳米复合技术极大提高了材料的介电性能 . 111
5.1　介电常数和介质损耗：介电谱  111
5.1.1 用温度介电谱和频率介电谱评价介电常数和介质损耗 111
5.1.2 微米复合材料的介电常数由组成比决定 113
5.1.3 纳米填料的添加影响介电常数的高低 115
5.1.4 介电常数的反常下降引起极大关注 117
5.1.5　纳米填料如何影响复合材料的介电常数 118
5.2 低电场电导 . 120
5.2.1 电导率是电气绝缘最重要的参数之一 120
5.2.2　在某些情况下纳米填料的加入导致电导率增大 122
5.2.3 在某些情况下纳米填料的加入导致电导率减小 123
5.3 高电场和空间电荷积聚下的传导电流  127
5.3.1　击穿是否不可预知 127
5.3.2　空间电荷积聚是否预示着劣化或者电击穿 129
5.3.3 即使在高直流电场下加入纳米填料也能显著抑制空间电荷积聚 131
5.3.4　为什么纳米填料的加入能够抑制空间电荷的注入 133
5.4 短时击穿特性 . 136
5.4.1 短时击穿特性测量方法 136
5.4.2 短时击穿物理机制及其解释 139
5.4.3 纳米复合绝缘子的短时击穿特性如何变化 140
5.4.4 填料状态对改善短时击穿特性的重要性 140
5.5　长时介质击穿（树枝击穿）  143
5.5.1　基于电树枝形状和V­t 特性评价聚合物的树枝化击穿  143
5.5.2 纳米填料的添加极大延长了树枝化击穿寿命 145
5.5.3　纳米填料在树枝生长起始阶段起什么作用 146
5.5.4　一个交叉现象的出现：电树枝生长与电压的关系 147
5.5.5　纳米填料怎么作用于电树枝生长过程 148
5.6 局部放电导致材料的劣化 . 149
5.6.1　基于侵蚀现象评价聚合物的耐局部放电特性 149
5.6.2 纳米填料的添加极大提高了聚合物的耐局部放电特性 151
5.6.3　纳米复合材料局部放电侵蚀的机理 153
5.7　绝缘劣化（水树枝导致材料的劣化）  155
5.7.1　聚合物在水和电场协同作用下产生水树枝 155
5.7.2 纳米填料的添加抑制水树枝的生长 157
5.7.3　纳米填料在抑制水树枝方面的作用 157
5.8　绝缘劣化（由电痕导致的材料劣化）  161
5.8.1　绝缘子表面污染将导致电痕的发生 161
5.8.2 斜面试验和电弧试验是评估绝缘子电痕和耐侵蚀的标准测试方法 161
5.8.3 纳米填料的添加极大提高了耐电痕和侵蚀的能力 162
5.8.4 耐热性的提高将导致耐电痕和侵蚀性的提高 164
5.9 电化学迁移导致材料的劣化  166
5.9.1　测试电迁移的原因 166
5.9.2　电迁移是怎样的现象 166
5.9.3 多种电迁移的可靠性测试方法 168
5.9.4 空间电荷分布测量可用于评价电迁移 169
5.9.5　纳米复合材料有望抑制电迁移 170
第6 章　纳米复合绝缘材料的热学和力学性能 . 174
6.1　热学性能  174
6.1.1　热学特性包括热学性能、热学性质和耐热性 174
6.1.2　通过纳米填料调控环氧树脂基复合材料的热学特性 175
6.1.3　几种典型聚合物在添加纳米填料后热学特性的改变 178
6.1.4　纳米填料与聚合物的界面可以改变聚合物的热学特性 180
6.2　力学性能  181
6.2.1 改善力学性能的聚合物复合材料在日常生活中的应用 181
6.2.2　按应力作用时间分类的各种力学性能 183
6.2.3　添加纳米填料提高拉伸强度 184
6.2.4　添加纳米填料提高弯曲特性 186
6.2.5　纳米填料抑制裂痕扩散 187
6.2.6　纳米复合材料的其他力学性能 188
6.3 长期特性  191
6.3.1 通过纳米复合改善聚合物的耐热性 191
6.3.2 通过纳米复合改善聚合物的耐疲劳性 193
第7 章　聚合物纳米填料界面结构 . 197
7.1　界面有体积 . 197
7.1.1　界面是什么 197
7.1.2　无机填料和有机聚合物间界面的特征 197
7.1.3　多种界面模型的提出 199
7.2　界面的物理化学分析方法 . 203
7.2.1　填料的形状、尺寸和分散性可用SEM 和TEM 评价  203
7.2.2 填料的含量可用测量纳米复合材料密度来评估 205
7.2.3　填料间距在宏观和微观尺度下的评估 205
7.2.4　研究有机和无机键合态的一些方法 207
第8 章　 聚合物纳米复合材料可视化的计算机模拟方法：
阐明提高纳米复合材料性能的机理. 211
8.1　非经验（从头算）分子轨道方法 . 211
8.1.1 纳米复合材料的计算机模拟研究刚刚起步 211
8.1.2 什么是从头算方法 211
8.1.3 用从头算方法能得到什么 212
8.1.4 从头算方法应用到大尺度体系面临的挑战 214
8.2 用粗粒化分子动力学方法模拟纳米复合材料的性能  215
8.2.1 什么是分子动力学 215
8.2.2 粗粒化分子动力学的应用实例 219
第9 章　结语：关注环境与展望未来  224
9.1 关于纳米填料处理的必要认知  224
9.1.1 纳米填料对人体和环境的影响 224
9.1.2 纳米填料风险评估进展 224
9.1.3 纳米填料的处理指南 227
9.2 未来展望  228
9.2.1 国际关注度逐年上升 228
9.2.2 纳米复合绝缘材料的实用化探索 230
9.2.3 打开未来聚合物纳米复合材料的大门 232