BN-PVDF复合介质的电气绝缘特性研究

商行 刘淑华 文大禹

摘 要：本研究以微米级氮化硼（BN）颗粒为改性剂，以聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物为基体材料，采用溶液涂覆法制掺杂比例分别为3%和7%的BN-PVDF复合薄膜样品，通过电压击穿试验仪进行击穿电压测试，利用威布尔分布法拟合实验数据，对比分析BN掺杂含量对PVDF复合材料的电气绝缘性能的影响规律。研究发现，3%低掺杂的复合材料击穿场强为257.46 kV/mm，是7% BN-PVDF复合材料的直流击穿场强值206.18kV/mm的1.25倍，提高了25%，更有益于改善復合材料的电气绝缘性能。

关键词：氮化硼;PVDF;击穿场强

一 引言

随着新能源的开发利用，电能转换器件向着微型化和柔性化方向发展，越发要求其中介质材料具有更高的能量存储密度和效率以及良好的散热特性。尤其是聚合物电介质材料，作为固体薄膜电容器的良好媒介，其优异的介电特性、绝缘特性、储能特性和导热特性是介质利用的最终目标。例如，聚偏二氟乙烯（PVDF）铁电聚合物材料，具有良好的压电性能、介电特性、绝缘特性和易于加工等特点，已经成为储能介质领域的典型研究材料。同时，PVDF也是一种氟基工程塑料，其稳定的化学特性和易于成膜的可塑性，可用来作为电化学储能用电池中的隔膜材料，作为光伏太阳能电池背板绝缘介质，也可作为储能电容器耐高压介质材料，在新能源领域都具有广泛的应用价值。目前，PVDF成膜的多采用溶液涂覆法，成膜的化学特性、介电特性、绝缘性能都可达到一定的应用水平。但是，对应PVDF基复合材料而言，通过掺杂高导热填料来改善其散热特性的同时，复合材料的绝缘特性有所下降;其绝缘性能的劣化对其在薄膜电容器中的潜在应用价值显著降低。为此，本研究针对氮化硼（BN）改性的PVDF基复合材料，探索不同BN掺杂比例对PVDF材料绝缘性能的影响规律，指导对PVDF基复合材料的有效开发提供实验基础，本研究具有工程价值。

二 样品制备与测试

样品制备所用原材料为：PVDF（FR904）粉末，上海三爱富新材料科技有限公司产品;N，N-二甲基甲酰胺（DMF），国药集团化学试剂有限公司产品;六方氮化硼（BN），阿拉丁试剂（上海）有限公司。

样品制备过程：在室温磁力搅拌状态下，量取一定量的DMF溶剂，向其中缓慢加入一定量BN粉末，超声搅拌振荡30min。向上述溶液中缓慢地加入一定量PVDF粉末，搅拌6h，获得粘稠白色混合浆液。静置12h，将其均匀涂覆在洁净的玻璃板上，置于80℃烘干，获得BN-PVDF复合薄膜材料;其中，BN质量分数为3%和7%，薄膜厚度为20微米。

样品的高压击穿测试过程：3% BN-PVDF复合薄膜和7% BN-PVDF复合薄膜，制作40cm40cm正方形尺寸的测试试样。利用DDJ-50KV电压击穿试验仪进行试样在绝缘油环境下的直流击穿测试。测试仪器设置保护电流10～15A和升压速度为0.1kV/s。

三 结果与讨论

（一） BN-PVDF复合试样高压直流击穿测试数据统计

表1为两种掺杂比例的BN-PVDF复合样品试样测试的直流击穿场强实验数据值统计。每种试样测试前进行烘干处理后，都进行10次直流击穿测试，分布记录每次的击穿时系统保存的击穿场强数值。10次击穿测试样品数能够保证后续对数据进行拟合的可信度。从表1中可以看出，3%的试样测试数值都比7%的大，说明BN低掺杂比例下对PVDF材料的击穿是有利的，获得更高的瞬时击穿场强值。另外，两种试样的测试数据都比较集中，说明记录的数据可信度较高。

（二） BN掺杂量对PVDF绝缘性影响

对上述表1中两种掺杂比例的BN-PVDF测试试样的实验测试值进行威布尔分布拟合，结果如图1所示。图1中点为试样试验值，直线为拟合曲线。从图中数据点分布及拟合曲线位置可以看出，威布尔分布拟合结果与试验测试值匹配较好。3%掺杂的试样击穿场强高于7%掺杂的试样，其拟合击穿场强分别为206.18kV/mm和257.46 kV/mm;并且，对应的拟合形状因子值分别为27.44和20.99，说明数据点分布均匀，分散程度较低，其可靠性较高。3% BN-PVDF复合材料的直流击穿场强值是7% BN-PVDF复合材料的直流击穿场强值的1.25倍，说明低含量3%BN掺杂下的PVDF复合材料的击穿场强比高含量7%掺杂的复合材料提高了25%。上述分析表明，少量BN掺杂的PVDF复合材料具有较高的直流击穿场强，其耐受高电压能力较强，明显高于高掺杂下的复合材料。因此，在BN掺杂改性PVDF电气绝缘性能时，趋于低掺杂用量能够更有效提高复合材料的直流击穿场强值，改善材料的电气绝缘性能。

四 结束语

本研究对3% BN-PVDF复合材料和7% BN-PVDF复合材料进行在绝缘油环境下的高压直流击穿测试，研究不同掺杂比例的BN对PVDF复合材料的电气绝缘性能的影响规律。利用威布尔分布拟合方法，分析测试实验数据得出，3%掺杂的复合材料击穿场强为257.46 kV/mm，是7% BN-PVDF复合材料的直流击穿场强值206.18kV/mm的1.25倍，耐直流高压能力提高了25%。趋于低掺杂用量能够更有效提高BN-PVDF复合材料的直流击穿场强值，改善材料的电气绝缘性能。

作者简介：商行（1990-），女，汉族，绥化学院讲师，硕士，从事电气工程领域研究。

基金项目：黑龙江省省属高等学校基本科研业务费基础研究项目（KYYWF10236180210）;黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（202110236023）