[发明专利]具有非线性介电常数的电介质材料

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求于2009年12月14日提交的美国临时专利申请号61/286,247的优先权，该专利的公开内容以引用方式全文并入本文。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。

如本发明中所用：

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。

以上发明概述并非旨在描述本发明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1为根据本发明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1中所示粒子的聚合物组合物的横截面的SEM数字图像。

图3为根据本发明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示出了本发明的材料和比较材料的介电常数随电场的变化。

图6示出了本发明的材料的介电常数随电场的变化。

图7示出了本发明的材料和比较材料的介电常数随电场的变化。

图8示出了本发明的材料的介电常数随电场的变化。

图9示出了25kV下本发明的材料的介电常数随电场的变化。

具体实施方式

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发明的具体实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，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，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。