[发明专利]介电梯度材料及其应用

说明书

一种介电梯度材料，包括基体材料及填料颗粒，所述填料颗粒分散于基体材料中，至少一种填料颗粒的介电常数大于40，其中，介电梯度材料包括第一区域、第二区域以及位于第一区域及第二区域之间的第三区域；填料颗粒在所述第一区域中朝向第二区域呈链状排列，填料颗粒在第二区域中呈无序分布，填料颗粒在第三区域中呈有序到无序的过渡分布。本发明还提供一种所述介电梯度材料的应用。本发明所提供的介电梯度材料中的填料颗粒在第一区域呈链状排列，在第二区域呈无序分布，在第三区域呈有序到无序的过渡状态，从而构建介电常数具有梯度的介电梯度材料；所述介电梯度材料具有梯度范围大、应用范围广以及性能优越等特点。

技术领域

本发明涉及绝缘材料制备技术领域，尤其涉及一种介电梯度材料及其应用。

背景技术

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。

在任意结构的交变(AC)绝缘系统中，电场分布通常不均匀，并且在尖锐或者曲率半径较小的电极周围的场强更加畸变，这会成为绝缘薄弱点以及放电的起始点，限制了系统的最高工作电压。而绝缘系统的几何形状一旦确定，电位移D的分布仅与电极上的自由电荷有关。电场强度E可写为：

其中，ε₀，ε_r分别是真空介电常数，绝缘材料的相对介电常数。如果A点的场强E(A)非常高，我们将点A的相对介电常数增加k倍，并假设对系统的影响小到足以改变电极上的自由电荷。电位移的分布不会改变，A点的电场强度变为E(A)/k。上述步骤可以在不同区域中迭代。理论上，我们可以获得准均匀电场。许多研究通过增加局部介电常数来均化电场。大量研究已经证明关于介电梯度材料可以有效均匀电场，提高整体的绝缘性能。

利用功能梯度材料(Functionally Graded Material，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。目前，现有的介电梯度材料具有难以满足绝缘设计的需求其灵活性和可控性较差、介电常数提升有限、无法满足极不均匀电场所需要的大梯度介电分布等缺点。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种介电常数可控的介电梯度材料。