半導(dǎo)電屏蔽材料改性對XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的影響：機(jī)理、實(shí)驗(yàn)與展望一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代社會，電力作為一種不可或缺的能源，其穩(wěn)定、高效的傳輸對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會生活的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。高壓電纜作為電力傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著將電能從發(fā)電廠輸送到各個(gè)用電區(qū)域的重要任務(wù)。隨著電力需求的不斷增長以及城市建設(shè)的日益密集化，對高壓電纜的性能要求也越來越高。高壓電纜不僅需要具備高的輸電容量和低的電能損耗，還需要在復(fù)雜的環(huán)境條件下能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，以確保電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。半導(dǎo)電屏蔽材料和XLPE絕緣是高壓電纜的核心組成部分，對電纜的性能起著決定性作用。半導(dǎo)電屏蔽材料緊密包圍在絕緣層內(nèi)外，通過三層共擠技術(shù)與絕緣層緊密結(jié)合。內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層與電纜導(dǎo)體形成等電位，外半導(dǎo)電屏蔽層與金屬屏蔽層形成等電位，使得絕緣與高壓電位、地電位之間形成光滑界面。這一結(jié)構(gòu)有效地消除了金屬導(dǎo)體表面的毛刺或凸起，均勻了界面電場分布，抑制了局部場強(qiáng)過高的情況，從而防止局部放電的發(fā)生。局部放電會導(dǎo)致絕緣材料的老化和損壞，嚴(yán)重影響電纜的使用壽命和可靠性，而半導(dǎo)電屏蔽材料的存在能夠大大降低這種風(fēng)險(xiǎn)。XLPE絕緣具有優(yōu)異的電氣性能、機(jī)械性能和加工性能，在高壓電纜中得到了廣泛應(yīng)用。其介電常數(shù)低、介質(zhì)損耗小，能夠有效減少電能在傳輸過程中的損耗；同時(shí)，它還具有較高的絕緣強(qiáng)度和良好的耐熱性能，能夠在較高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。然而，XLPE絕緣在實(shí)際運(yùn)行過程中，會受到各種因素的影響，其中空間電荷的注入和積聚是一個(gè)關(guān)鍵問題?？臻g電荷的存在會導(dǎo)致絕緣內(nèi)部電場分布發(fā)生畸變，使得局部電場強(qiáng)度升高，進(jìn)而加速絕緣材料的老化，降低電纜的絕緣性能，增加電纜發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。半導(dǎo)電屏蔽材料的性能與XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布密切相關(guān)。半導(dǎo)電屏蔽材料的電導(dǎo)率、界面特性等參數(shù)會影響電荷的注入和傳輸過程。當(dāng)半導(dǎo)電屏蔽材料的電導(dǎo)率不合適時(shí)，可能會導(dǎo)致電荷在屏蔽層與絕緣層界面處積累，進(jìn)而注入到絕緣內(nèi)部；而其界面特性不佳，則可能會增加電荷注入的概率，并且影響電荷在絕緣內(nèi)的遷移和分布。通過對半導(dǎo)電屏蔽材料進(jìn)行改性，可以優(yōu)化其性能參數(shù)，從而有效地調(diào)控XLPE絕緣內(nèi)的空間電荷分布。例如，選擇合適的導(dǎo)電填料和基體樹脂，優(yōu)化材料的配方和制備工藝，能夠改善半導(dǎo)電屏蔽材料的電導(dǎo)率和界面特性，減少電荷的注入和積聚，使絕緣內(nèi)的電場分布更加均勻，提高電纜的絕緣性能和使用壽命。研究半導(dǎo)電屏蔽材料改性對XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，這一研究能夠?yàn)楦邏弘娎|的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維護(hù)提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。通過深入了解半導(dǎo)電屏蔽材料改性與空間電荷分布之間的關(guān)系，電纜制造商可以優(yōu)化半導(dǎo)電屏蔽材料的配方和生產(chǎn)工藝，制造出性能更優(yōu)異的高壓電纜，提高電纜在電力傳輸中的可靠性和穩(wěn)定性，降低因電纜故障導(dǎo)致的停電事故發(fā)生概率，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，對于電力運(yùn)營商來說，這一研究成果有助于他們制定更加科學(xué)合理的電纜運(yùn)行維護(hù)策略，通過監(jiān)測空間電荷分布等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜潛在的絕緣問題，提前采取措施進(jìn)行修復(fù)或更換，避免故障的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低運(yùn)營成本。從理論層面來看，該研究有助于深入理解半導(dǎo)電屏蔽材料與XLPE絕緣之間的相互作用機(jī)制，以及空間電荷在絕緣材料中的注入、傳輸和積聚規(guī)律。目前，雖然對于半導(dǎo)電屏蔽材料和XLPE絕緣的性能已有一定的研究，但對于它們之間的微觀相互作用過程以及空間電荷分布的復(fù)雜影響因素，仍存在許多未知領(lǐng)域。通過開展此項(xiàng)研究，可以進(jìn)一步豐富和完善高壓電纜絕緣材料的理論體系，為后續(xù)相關(guān)研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，推動高壓電纜技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在高壓電纜領(lǐng)域，半導(dǎo)電屏蔽材料改性以及XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的研究一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。1.2.1半導(dǎo)電屏蔽材料改性的研究現(xiàn)狀半導(dǎo)電屏蔽材料通常由基體樹脂、導(dǎo)電填料、交聯(lián)劑、抗氧劑及其他加工助劑組成。在基體樹脂方面，熱固性基體如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）和乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）是常用的類型。研究發(fā)現(xiàn)，EEA共聚物與XLPE絕緣結(jié)合良好，常用于導(dǎo)體屏蔽和黏合型絕緣屏蔽；EVA共聚物常用作可剝離絕緣屏蔽和一些導(dǎo)體屏蔽的基體；EBA共聚物在填料含量高、熔融指數(shù)低的情況下具有更好的韌性。例如，有研究對比了不同基體種類和炭黑含量的半導(dǎo)電屏蔽料在25℃和90℃時(shí)的體積電阻率，發(fā)現(xiàn)CB/EEA樣品的體積電阻率與PTC系數(shù)均較低，表明炭黑在EEA基體樹脂中分散性較好，且EBA和EEA基體樹脂熔點(diǎn)高于EVA基體樹脂，更適用于高壓電纜屏蔽料基體。對于導(dǎo)電填料，炭黑是電力電纜半導(dǎo)電屏蔽層中常用的填料，包括爐法炭黑和乙炔炭黑等。爐法炭黑是傳統(tǒng)的半導(dǎo)電屏蔽料填料，由烴類石油或天然氣的氧化物制備而成；乙炔炭黑純度更高，雜質(zhì)更少，是超光滑半導(dǎo)電屏蔽料的主要填料。通過白光干涉三維表面輪廓掃描技術(shù)對比進(jìn)口和國產(chǎn)220kV高壓電纜半導(dǎo)電屏蔽層表面形態(tài)發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)半導(dǎo)電屏蔽料樣品表面存在大量“針狀”突起，最大突起高度達(dá)到11.62μm，而進(jìn)口半導(dǎo)電屏蔽料最大突起高度僅為1.28μm，表明國產(chǎn)半導(dǎo)電屏蔽料表面光滑度明顯差于進(jìn)口產(chǎn)品，這與導(dǎo)電填料的特性及分散情況密切相關(guān)。此外，為了改善半導(dǎo)電屏蔽材料的性能，研究人員還嘗試使用新型材料和改性方法。如廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局取得了“一種離子液體改性導(dǎo)電炭黑的電纜半導(dǎo)電屏蔽料及其制備方法”的專利，離子液體的引入極大提高了導(dǎo)電炭黑的分散性和相容性，進(jìn)而增強(qiáng)了復(fù)合材料的物理和電氣性能，這種材料在耐高溫、耐腐蝕等環(huán)境下也展現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。1.2.2XLPE絕緣空間電荷分布的研究現(xiàn)狀XLPE絕緣內(nèi)空間電荷的分布特性對電纜的絕緣性能有著至關(guān)重要的影響。國內(nèi)外學(xué)者通過多種實(shí)驗(yàn)方法對其進(jìn)行了深入研究。電聲脈沖法（PEA）是常用的測量空間電荷分布的方法之一，它能夠直觀地測量出XLPE絕緣內(nèi)部空間電荷的分布情況和隨時(shí)間的變化規(guī)律。利用PEA法，研究人員發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣在直流電壓作用下，空間電荷容易在絕緣內(nèi)部積聚，尤其是在電極與絕緣的界面處，電荷積聚現(xiàn)象更為明顯。研究還表明，溫度、電場強(qiáng)度等外部因素對XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布有顯著影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，XLPE分子鏈的熱運(yùn)動加劇，載流子的遷移率增加，這會導(dǎo)致空間電荷的注入和遷移過程發(fā)生變化，使得電荷分布更加復(fù)雜。在高溫環(huán)境下，空間電荷的積聚速度加快，且更容易形成深度陷阱，導(dǎo)致電荷難以消散。而電場強(qiáng)度的增加會增強(qiáng)載流子的注入能力，使得更多的電荷進(jìn)入絕緣內(nèi)部，從而改變空間電荷的分布形態(tài)，當(dāng)電場強(qiáng)度超過一定閾值時(shí)，可能會引發(fā)局部放電等絕緣故障。1.2.3半導(dǎo)電屏蔽材料改性與XLPE絕緣空間電荷分布關(guān)聯(lián)的研究現(xiàn)狀目前，關(guān)于半導(dǎo)電屏蔽材料改性與XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布之間關(guān)聯(lián)的研究也取得了一定進(jìn)展。半導(dǎo)電屏蔽層與XLPE絕緣層的界面特性對空間電荷的注入和傳輸有著關(guān)鍵作用。如果半導(dǎo)電屏蔽層表面光滑度差，存在突起或微孔等缺陷，會導(dǎo)致電場集中，從而增加電荷注入XLPE絕緣的概率。有研究通過優(yōu)化半導(dǎo)電屏蔽材料的配方和制備工藝，改善了其表面光滑度，發(fā)現(xiàn)XLPE絕緣內(nèi)的空間電荷注入量明顯減少。半導(dǎo)電屏蔽材料的電導(dǎo)率也是影響空間電荷分布的重要因素。當(dāng)電導(dǎo)率過高或過低時(shí)，都可能導(dǎo)致電荷在屏蔽層與絕緣層界面處積累，進(jìn)而注入到絕緣內(nèi)部。合適的電導(dǎo)率能夠使電荷在屏蔽層中均勻分布，減少電荷向絕緣層的注入。研究人員通過調(diào)整導(dǎo)電填料的含量和類型，實(shí)現(xiàn)了對半導(dǎo)電屏蔽材料電導(dǎo)率的調(diào)控，并觀察到XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布隨之發(fā)生變化。1.2.4研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足盡管國內(nèi)外在半導(dǎo)電屏蔽材料改性、XLPE絕緣空間電荷分布及二者關(guān)聯(lián)方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。在半導(dǎo)電屏蔽材料改性方面，雖然對基體樹脂和導(dǎo)電填料等的研究取得了進(jìn)展，但對于新型改性方法和材料的探索還不夠深入，特別是在如何實(shí)現(xiàn)材料性能的全面優(yōu)化，如在提高表面光滑度的同時(shí)保證良好的電學(xué)和力學(xué)性能等方面，還需要進(jìn)一步研究。在XLPE絕緣空間電荷分布研究中，雖然已經(jīng)明確了一些影響因素，但對于空間電荷在復(fù)雜工況下（如多場耦合、長期老化等）的動態(tài)演變規(guī)律，尚未完全掌握。在半導(dǎo)電屏蔽材料改性與XLPE絕緣空間電荷分布關(guān)聯(lián)研究方面，目前的研究大多集中在單一因素對空間電荷分布的影響，缺乏對多因素協(xié)同作用的系統(tǒng)研究，難以全面揭示二者之間的內(nèi)在聯(lián)系。因此，進(jìn)一步深入研究半導(dǎo)電屏蔽材料改性對XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的影響，具有重要的理論和實(shí)際意義。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞半導(dǎo)電屏蔽材料改性對XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的影響展開，具體內(nèi)容如下：半導(dǎo)電屏蔽材料的改性研究：深入研究不同基體樹脂和導(dǎo)電填料對屏蔽材料性能的影響。在基體樹脂方面，對比乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）和乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）等熱固性基體，以及聚丙烯（PP）或高密度聚乙烯（HDPE）等熱塑性基體，分析其分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、熔點(diǎn)等特性對屏蔽材料電學(xué)性能（如體積電阻率、PTC系數(shù)）和力學(xué)性能（如抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率）的影響規(guī)律。對于導(dǎo)電填料，對比爐法炭黑、乙炔炭黑以及碳納米管、金屬導(dǎo)電填料等新型填料，研究其粒徑、形狀、長徑比、表面特性等對屏蔽材料導(dǎo)電性、表面光滑度以及與基體樹脂相容性的影響。通過改變基體樹脂和導(dǎo)電填料的種類和配比，制備一系列改性半導(dǎo)電屏蔽材料，分析不同配方材料的性能差異，篩選出具有優(yōu)異綜合性能的配方。XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布特性研究：利用電聲脈沖法（PEA）、熱刺激電流法（TSC）、壓力波法（PWP）等多種先進(jìn)測試技術(shù)，系統(tǒng)研究不同電場強(qiáng)度、溫度、電壓作用時(shí)間等條件下，XLPE絕緣內(nèi)空間電荷的注入、傳輸、積聚和消散規(guī)律。分析空間電荷在絕緣內(nèi)部的分布形態(tài)，包括電荷的極性、密度、分布位置以及隨時(shí)間的動態(tài)變化過程。研究不同電極材料和界面處理方式對空間電荷分布的影響，明確界面特性與空間電荷行為之間的關(guān)聯(lián)。半導(dǎo)電屏蔽材料改性與XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布關(guān)聯(lián)研究：通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，深入探究半導(dǎo)電屏蔽材料的電導(dǎo)率、表面光滑度、界面特性等性能參數(shù)對XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的影響機(jī)制。研究半導(dǎo)電屏蔽材料與XLPE絕緣之間的界面電荷注入和遷移過程，建立考慮半導(dǎo)電屏蔽材料改性因素的空間電荷分布模型，模擬不同改性條件下XLPE絕緣內(nèi)空間電荷的分布情況，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，進(jìn)一步完善模型，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確保研究的全面性和深入性：實(shí)驗(yàn)研究方法：制備不同配方的半導(dǎo)電屏蔽材料和XLPE絕緣樣品。采用雙螺桿擠出機(jī)將基體樹脂、導(dǎo)電填料、交聯(lián)劑、抗氧劑及其他加工助劑充分混合，通過擠出成型制備半導(dǎo)電屏蔽材料；采用平板硫化機(jī)等設(shè)備制備XLPE絕緣樣品，并通過三層共擠工藝模擬實(shí)際電纜結(jié)構(gòu)，將半導(dǎo)電屏蔽層與XLPE絕緣層緊密結(jié)合。利用電聲脈沖法（PEA）測量XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布，搭建PEA測試系統(tǒng)，對不同條件下的樣品進(jìn)行測試，獲取空間電荷分布的時(shí)間和空間信息；使用熱刺激電流法（TSC）分析XLPE絕緣中的陷阱特性，確定陷阱能級和陷阱密度；運(yùn)用壓力波法（PWP）測量空間電荷引起的電場畸變，進(jìn)一步驗(yàn)證空間電荷分布情況。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀分析手段，觀察半導(dǎo)電屏蔽材料的微觀結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)電填料的分散情況、界面結(jié)合狀況等；使用X射線光電子能譜儀（XPS）分析材料表面元素組成和化學(xué)狀態(tài)，研究材料的表面特性。理論分析方法：基于固體物理、電介質(zhì)物理等相關(guān)理論，深入分析半導(dǎo)電屏蔽材料的導(dǎo)電機(jī)理，如隧穿理論、場致發(fā)射理論等，探討導(dǎo)電填料與基體樹脂之間的相互作用對材料導(dǎo)電性能的影響。研究XLPE絕緣中空間電荷的注入、傳輸和積聚理論，考慮載流子的產(chǎn)生、遷移、復(fù)合以及陷阱的捕獲和釋放等過程，建立空間電荷行為的理論模型。分析半導(dǎo)電屏蔽材料與XLPE絕緣之間的界面特性，基于界面電學(xué)理論，研究界面電荷的注入和遷移機(jī)制，探討界面特性對空間電荷分布的影響。數(shù)值模擬方法：利用有限元分析軟件（如COMSOLMultiphysics、ANSYS等），建立高壓電纜的二維或三維模型，包括半導(dǎo)電屏蔽層、XLPE絕緣層和金屬屏蔽層等結(jié)構(gòu)。設(shè)定模型的材料參數(shù)，如電導(dǎo)率、介電常數(shù)、相對磁導(dǎo)率等，根據(jù)實(shí)際情況考慮溫度、電場等邊界條件。通過數(shù)值模擬，計(jì)算不同工況下電纜內(nèi)部的電場分布和空間電荷分布，分析半導(dǎo)電屏蔽材料改性對電場和空間電荷分布的影響規(guī)律。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)一步優(yōu)化模型參數(shù)，為深入研究提供更有力的支持。二、半導(dǎo)電屏蔽材料與XLPE絕緣基礎(chǔ)2.1半導(dǎo)電屏蔽材料概述2.1.1組成與結(jié)構(gòu)半導(dǎo)電屏蔽材料主要由基體樹脂、導(dǎo)電填料、交聯(lián)劑、抗氧劑及其他加工助劑組成。這些成分相互配合，賦予了半導(dǎo)電屏蔽材料特定的性能，使其能夠在高壓電纜中發(fā)揮關(guān)鍵作用?；w樹脂是半導(dǎo)電屏蔽材料的主體，它為其他成分提供了支撐和分散的介質(zhì)?；w樹脂的種類繁多，可分為熱固性和熱塑性兩類。熱固性基體樹脂如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）和乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）是目前常用的類型。EEA共聚物與XLPE絕緣結(jié)合良好，通常用于導(dǎo)體屏蔽和黏合型絕緣屏蔽，這是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中的丙烯酸乙酯單元能夠與XLPE絕緣形成較強(qiáng)的分子間作用力，從而保證了良好的結(jié)合效果。EVA共聚物常用作可剝離絕緣屏蔽和一些導(dǎo)體屏蔽的基體，其分子中的醋酸乙烯酯基團(tuán)使得材料具有一定的柔韌性和可加工性。與EVA和EEA相比，EBA共聚物在填料含量高、熔融指數(shù)低的情況下具有更好的韌性，這是由于其分子鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，較長的丙烯酸丁酯側(cè)鏈增加了分子鏈之間的相互作用，使得材料在受到外力時(shí)能夠更好地抵抗變形。以EVA為例，EVA共聚物中的醋酸乙烯酯（VA）質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為1%-50%，具體含量取決于所需要的機(jī)械和物理性能。較高的VA含量降低了EVA共聚物的平均分子量，從而改變了共聚物的性能，如降低了材料的結(jié)晶度，提高了柔韌性和透明度。熱塑性基體樹脂如聚丙烯（PP）或高密度聚乙烯（HDPE）也有應(yīng)用。以PP為例，它具有較高的結(jié)晶度和剛性，在溫度接近熔點(diǎn)時(shí)，體積電阻率隨溫度升高而逐漸增大，會產(chǎn)生顯著的PTC效應(yīng)；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，體積電阻率隨溫度升高而降低，呈現(xiàn)NTC特性。這是因?yàn)樵跍囟冉咏埸c(diǎn)時(shí)，PP分子鏈的熱運(yùn)動加劇，分子間的距離增大，導(dǎo)致載流子的遷移率降低，體積電阻率增大；而當(dāng)溫度繼續(xù)升高超過熔點(diǎn)后，PP分子鏈開始熔融，分子間的相互作用減弱，導(dǎo)電填料之間的接觸更加緊密，載流子的遷移率增加，體積電阻率降低。HDPE具有線性結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度高，密度較大，具有良好的耐化學(xué)腐蝕性和機(jī)械性能。在半導(dǎo)電屏蔽材料中，HDPE可以提供較好的力學(xué)支撐，同時(shí)其電學(xué)性能也能滿足一定的要求。導(dǎo)電填料是賦予半導(dǎo)電屏蔽材料半導(dǎo)電特性的關(guān)鍵成分。常用的導(dǎo)電填料包括炭黑、碳納米管、金屬導(dǎo)電填料等。炭黑是電力電纜半導(dǎo)電屏蔽層中常用的填料，其中爐法炭黑和乙炔炭黑較為常見。爐法炭黑是由烴類石油或天然氣的氧化物制備而成，是傳統(tǒng)的半導(dǎo)電屏蔽料填料，其具有較高的比表面積，能夠與基體樹脂形成較好的界面結(jié)合，但其表面存在較多的雜質(zhì)和缺陷。乙炔炭黑是由乙炔氣體連續(xù)熱分解制備而成，與爐法炭黑相比純度更高，雜質(zhì)更少，是超光滑半導(dǎo)電屏蔽料的主要填料，其具有較高的導(dǎo)電性和良好的分散性，能夠有效降低半導(dǎo)電屏蔽材料的表面突起，提高表面光滑度。碳納米管具有良好的電子導(dǎo)電性，纖維狀結(jié)構(gòu)能夠在電極活性材料中形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在半導(dǎo)電屏蔽材料中添加碳納米管，可以顯著提高材料的導(dǎo)電性能。然而，由于碳納米管直徑小、長徑比大，在范德華力的作用下，極易發(fā)生團(tuán)聚，影響其導(dǎo)電效果，因此需要采用特殊的分散方法來提高其在基體樹脂中的分散性。金屬導(dǎo)電填料如銀粉、銅粉等具有極高的電導(dǎo)率，但成本較高，且在使用過程中容易發(fā)生氧化，影響其導(dǎo)電性能，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。交聯(lián)劑用于使基體樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的力學(xué)性能和耐熱性能。常用的交聯(lián)劑有過氧化物類引發(fā)劑，如雙叔丁基過氧化異丙基苯。在高溫下，交聯(lián)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)基體樹脂分子鏈之間的交聯(lián)反應(yīng)，使材料的性能得到顯著改善?？寡鮿﹦t用于防止材料在加工和使用過程中因氧化而老化，延長材料的使用壽命。常見的抗氧劑有抗氧劑1010和抗氧劑168等，將抗氧劑1010和抗氧劑168一起復(fù)配使用，在加工過程中主要為抗氧劑168起主要作用，在材料老化過程中抗氧劑1010起主要作用，兩種抗氧劑的加和反應(yīng)和協(xié)同反應(yīng)能夠起到更好的抗氧化效果。其他加工助劑如偶聯(lián)劑、潤滑劑等，偶聯(lián)劑可以改善導(dǎo)電填料與基體樹脂之間的界面相容性，提高材料的綜合性能；潤滑劑則可以降低材料在加工過程中的摩擦力，提高加工性能。在半導(dǎo)電屏蔽材料中，各成分通過熔融共混等加工工藝均勻混合在一起。導(dǎo)電填料均勻分散在基體樹脂中，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而使材料具有半導(dǎo)電性能。交聯(lián)劑在加工過程中引發(fā)基體樹脂的交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了材料的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性?？寡鮿┖推渌庸ぶ鷦﹦t在材料的整個(gè)生命周期中發(fā)揮著各自的作用，確保材料性能的穩(wěn)定和可靠。通過合理選擇和調(diào)配各成分的種類和含量，可以制備出滿足不同性能要求的半導(dǎo)電屏蔽材料。2.1.2作用與性能要求半導(dǎo)電屏蔽材料在高壓電纜中起著至關(guān)重要的作用，其主要作用包括均勻電場、防止局部放電、消除導(dǎo)體與絕緣層交界面氣隙等。均勻電場是半導(dǎo)電屏蔽材料的重要作用之一。在高壓電纜中，導(dǎo)體表面通常存在一些毛刺或凸起，這些微觀缺陷會導(dǎo)致電場集中，使得局部電場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于平均電場強(qiáng)度。當(dāng)局部電場強(qiáng)度超過一定閾值時(shí)，就可能引發(fā)局部放電，進(jìn)而加速絕緣材料的老化，降低電纜的使用壽命。半導(dǎo)電屏蔽層緊密包圍在導(dǎo)體和絕緣層之間，內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層與電纜導(dǎo)體形成等電位，外半導(dǎo)電屏蔽層與金屬屏蔽層形成等電位，使得絕緣與高壓電位、地電位之間形成光滑界面，有效消除了金屬導(dǎo)體表面的毛刺或凸起對電場的影響，使電場能夠均勻地分布在絕緣層中，降低了局部電場強(qiáng)度，從而提高了電纜的絕緣性能。防止局部放電是半導(dǎo)電屏蔽材料的另一關(guān)鍵作用。局部放電是指在絕緣材料中局部區(qū)域發(fā)生的放電現(xiàn)象，它會產(chǎn)生高能粒子和電磁波，對絕緣材料造成物理和化學(xué)損傷。半導(dǎo)電屏蔽層的存在能夠抑制局部場強(qiáng)過高的情況，減少局部放電的發(fā)生概率。內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層可以避免因?qū)w表面不光滑以及線芯絞合產(chǎn)生的氣隙而造成導(dǎo)體和絕緣發(fā)生局部放電；外半導(dǎo)電屏蔽層與絕緣層外表面接觸良好，且與金屬護(hù)套等電位，避免因電纜絕緣表面裂紋等缺陷而與金屬護(hù)套發(fā)生局部放電。這是因?yàn)榘雽?dǎo)電屏蔽層的電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣材料之間，能夠有效地引導(dǎo)電荷，使電荷在屏蔽層中均勻分布，避免了電荷在局部區(qū)域的積聚，從而防止了局部放電的發(fā)生。消除導(dǎo)體與絕緣層交界面氣隙也是半導(dǎo)電屏蔽材料的重要功能。在電纜制造過程中，導(dǎo)體與絕緣層之間可能會存在一些微小的氣隙，這些氣隙會影響電場分布，增加局部放電的風(fēng)險(xiǎn)。半導(dǎo)電屏蔽層能夠填充這些氣隙，使導(dǎo)體與絕緣層之間形成良好的界面接觸，改善電場分布，提高電纜的絕緣性能。為了充分發(fā)揮上述作用，半導(dǎo)電屏蔽材料需要滿足一系列嚴(yán)格的性能要求，包括表面光滑度、體積電阻率、溫度-電阻系數(shù)以及力學(xué)性能等。表面光滑度是半導(dǎo)電屏蔽材料的重要性能指標(biāo)之一。表面光滑度越高，半導(dǎo)電屏蔽層均勻電場的能力越強(qiáng)。如果半導(dǎo)電屏蔽層表面存在突起或不平整，會導(dǎo)致電場集中，增加電荷注入XLPE絕緣的概率，從而影響電纜的絕緣性能。相關(guān)國際、國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范對高壓電纜半導(dǎo)電屏蔽層表面光滑度提出了明確要求，如GB/T18890.1-2015等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，110-500kV高壓電力電纜半導(dǎo)電屏蔽層與絕緣層的界面上應(yīng)無大于0.05mm的微孔和大于0.08mm的突起。采用白光干涉三維表面輪廓掃描技術(shù)對比進(jìn)口和國產(chǎn)220kV高壓電纜半導(dǎo)電屏蔽層表面形態(tài)發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)半導(dǎo)電屏蔽料樣品表面存在大量“針狀”突起，最大突起高度達(dá)到11.62μm，而進(jìn)口半導(dǎo)電屏蔽料最大突起高度僅為1.28μm，表明國產(chǎn)半導(dǎo)電屏蔽料表面光滑度明顯差于進(jìn)口產(chǎn)品，這也凸顯了提高半導(dǎo)電屏蔽材料表面光滑度的重要性。體積電阻率是衡量半導(dǎo)電屏蔽材料導(dǎo)電性能的關(guān)鍵參數(shù)。半導(dǎo)電屏蔽材料需要具有合適的體積電阻率，既能保證其具有一定的導(dǎo)電性，以實(shí)現(xiàn)均勻電場和防止局部放電的功能，又不能使電導(dǎo)率過高，否則會導(dǎo)致過多的電流通過屏蔽層，產(chǎn)生不必要的能量損耗。根據(jù)IEC-62067標(biāo)準(zhǔn)對電力電纜用半導(dǎo)電屏蔽層的要求，在導(dǎo)體最高溫度時(shí)，老化前后內(nèi)屏蔽層的電阻不得超過1000Ω?m，外屏蔽層不得超過500Ω?m。JB/T10738-2007對35kV及以下電纜半導(dǎo)電屏蔽料在20℃及90℃時(shí)的體積電阻率進(jìn)行了規(guī)定，在20℃時(shí)體積電阻率不高于1Ω?m，90℃時(shí)的體積電阻率不高于100Ω?m或50Ω?m。這些標(biāo)準(zhǔn)確保了半導(dǎo)電屏蔽材料在不同溫度和工作條件下都能保持合適的導(dǎo)電性能。溫度-電阻系數(shù)也是半導(dǎo)電屏蔽材料的重要性能指標(biāo)。通常，半導(dǎo)電復(fù)合材料在20-90℃的溫度區(qū)間內(nèi)，體積電阻率隨溫度升高而逐漸增大，即呈現(xiàn)正溫度電阻系數(shù)（PTC）特性。目前普遍認(rèn)為PTC效應(yīng)取決于導(dǎo)電填料的類型和聚合物基體的特征，包括化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶、加工條件和熱歷史。當(dāng)溫度超過熔點(diǎn)時(shí)，基體發(fā)生熔融從而具有流動性，使得導(dǎo)電填料能夠在電場作用下重新排列形成新的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，即電泳效應(yīng)，從而加速載流子的輸運(yùn)，導(dǎo)致宏觀體積電阻率減小。高壓交、直流電纜額定運(yùn)行溫度為90℃或70℃，處于半導(dǎo)電復(fù)合材料的PTC區(qū)域，因此高壓電纜用半導(dǎo)電復(fù)合材料的額定運(yùn)行溫度、體積電阻率與PTC系數(shù)調(diào)控是研究關(guān)鍵之一。合適的溫度-電阻系數(shù)能夠保證半導(dǎo)電屏蔽材料在電纜運(yùn)行溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的導(dǎo)電性能，避免因溫度變化而導(dǎo)致性能大幅波動。力學(xué)性能也是半導(dǎo)電屏蔽材料不可或缺的性能要求。半導(dǎo)電屏蔽材料需要具備一定的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、熱延伸和熱變形等力學(xué)性能，以確保在電纜制造、安裝和運(yùn)行過程中能夠承受各種外力的作用，保持結(jié)構(gòu)的完整性和性能的穩(wěn)定性。在電纜的敷設(shè)過程中，半導(dǎo)電屏蔽層可能會受到拉伸、彎曲等外力作用，如果材料的力學(xué)性能不足，就可能導(dǎo)致屏蔽層出現(xiàn)裂紋、破損等缺陷，影響電纜的正常運(yùn)行。因此，半導(dǎo)電屏蔽材料需要在滿足電學(xué)性能要求的同時(shí)，具備良好的力學(xué)性能，以適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境。2.2XLPE絕緣特性2.2.1XLPE的結(jié)構(gòu)與性能XLPE是交聯(lián)聚乙烯（Cross-LinkedPolyethylene）的英文縮寫，它是由聚乙烯經(jīng)過交聯(lián)反應(yīng)得到的。聚乙烯原本是一種線性的分子結(jié)構(gòu)，分子鏈之間主要通過較弱的范德華力相互作用。在交聯(lián)過程中，通過物理或化學(xué)方法，在聚乙烯分子鏈之間引入共價(jià)鍵，使其分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得XLPE即使在高溫下也具有很強(qiáng)的抗變形能力，極大地改善了聚乙烯的性能。以化學(xué)交聯(lián)為例，通常使用有機(jī)過氧化物作為交聯(lián)劑，如過氧化二異丙苯（DCP）。在高溫下，DCP分解產(chǎn)生自由基，這些自由基與聚乙烯分子鏈上的氫原子結(jié)合，形成聚乙烯大分子自由基。不同的聚乙烯大分子自由基之間相互結(jié)合，從而在分子鏈之間形成共價(jià)鍵，實(shí)現(xiàn)交聯(lián)。XLPE具有一系列優(yōu)良的性能，使其在高壓電纜絕緣領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在電氣性能方面，XLPE保持了聚乙烯原有的良好絕緣特性，且絕緣電阻進(jìn)一步增大。其介質(zhì)損耗角正切值很小，一般在10-4數(shù)量級，且受溫度影響不大。這意味著在交流電場下，XLPE絕緣材料的能量損耗非常小，能夠有效減少電能在傳輸過程中的損失。XLPE的介電常數(shù)較低，一般在2.2-2.3之間，與空氣的介電常數(shù)接近。較低的介電常數(shù)使得XLPE在電場作用下產(chǎn)生的極化現(xiàn)象較弱，從而減少了電場畸變的可能性，提高了電纜的絕緣性能。XLPE具有較高的絕緣強(qiáng)度，其擊穿場強(qiáng)通常在20-30kV/mm以上，能夠承受較高的電壓而不發(fā)生擊穿，確保了高壓電纜在運(yùn)行過程中的安全性。在機(jī)械性能方面，由于在大分子間建立了新的化學(xué)鍵，XLPE的硬度、剛度、耐磨性和抗沖擊性均有提高。交聯(lián)后的分子鏈相互交織，形成了一個(gè)緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得材料能夠更好地抵抗外力的作用。與聚乙烯相比，XLPE的拉伸強(qiáng)度提高了約20%-50%，斷裂伸長率也有所增加。這使得XLPE絕緣在電纜制造、敷設(shè)和運(yùn)行過程中，能夠更好地承受拉伸、彎曲、擠壓等機(jī)械應(yīng)力，不易發(fā)生破裂或損壞。例如，在電纜敷設(shè)過程中，可能會遇到地形復(fù)雜、需要彎曲電纜的情況，XLPE絕緣良好的機(jī)械性能能夠保證電纜在彎曲過程中不會因應(yīng)力集中而導(dǎo)致絕緣損壞。在加工性能方面，XLPE具有良好的可擠出性和可模塑性。在交聯(lián)之前，聚乙烯樹脂可以通過擠出機(jī)等設(shè)備加工成各種形狀，如電纜絕緣層的管狀結(jié)構(gòu)。在交聯(lián)過程中，可以通過控制交聯(lián)劑的用量、交聯(lián)溫度和時(shí)間等參數(shù)，精確控制交聯(lián)程度，從而得到滿足不同性能要求的XLPE產(chǎn)品。而且，XLPE電纜的制造工藝相對成熟，生產(chǎn)效率高，成本較低，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。例如，目前常用的懸鏈?zhǔn)竭B續(xù)硫化（CCV）或立式連續(xù)硫化（VCV）生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)XLPE電纜的連續(xù)化生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率。此外，XLPE還具有較好的耐化學(xué)特性，具有較強(qiáng)的耐酸堿和耐油性。在一些化學(xué)環(huán)境較為復(fù)雜的場所，如化工廠、煉油廠等，XLPE絕緣電纜能夠穩(wěn)定運(yùn)行，不易受到化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。XLPE的燃燒產(chǎn)物主要為水和二氧化碳，對環(huán)境的危害較小，滿足現(xiàn)代消防安全的要求。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，XLPE絕緣電纜不會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，減少了對人員和環(huán)境的危害。2.2.2XLPE絕緣內(nèi)空間電荷的產(chǎn)生與影響在XLPE絕緣中，空間電荷的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，主要原因包括電極注入、雜質(zhì)電離、材料內(nèi)部缺陷以及電場和溫度的作用等。電極注入是空間電荷產(chǎn)生的重要原因之一。當(dāng)XLPE絕緣處于電場中時(shí)，電極與絕緣材料之間存在界面。在電場的作用下，電極中的載流子（電子或空穴）可以克服界面勢壘，注入到XLPE絕緣內(nèi)部。金屬電極與XLPE絕緣之間的界面存在一定的功函數(shù)差，當(dāng)施加的電場強(qiáng)度足夠高時(shí)，電子可以從金屬電極注入到XLPE絕緣中。這種電極注入的電荷數(shù)量和速度與電場強(qiáng)度、電極材料、界面狀態(tài)等因素密切相關(guān)。電場強(qiáng)度越高，載流子注入的概率和速度就越大；不同的電極材料具有不同的功函數(shù)，會影響載流子的注入能力；而界面狀態(tài)，如是否存在雜質(zhì)、氧化物等，也會改變界面勢壘，從而影響載流子的注入。雜質(zhì)電離也是導(dǎo)致空間電荷產(chǎn)生的因素。XLPE絕緣材料中不可避免地會存在一些雜質(zhì)，如水分、金屬離子、有機(jī)小分子等。這些雜質(zhì)在電場作用下可能會發(fā)生電離，產(chǎn)生自由電荷。水分在電場作用下可以發(fā)生電解，產(chǎn)生氫離子和氫氧根離子；金屬離子雜質(zhì)可能會失去或獲得電子，形成帶電離子。這些由雜質(zhì)電離產(chǎn)生的電荷會在XLPE絕緣內(nèi)部形成空間電荷，影響絕緣性能。雜質(zhì)的含量和種類對空間電荷的產(chǎn)生有重要影響，雜質(zhì)含量越高，產(chǎn)生的空間電荷就越多；不同種類的雜質(zhì)，其電離特性不同，產(chǎn)生的電荷性質(zhì)和數(shù)量也會有所差異。材料內(nèi)部缺陷同樣會促使空間電荷的產(chǎn)生。XLPE在合成、加工和使用過程中，可能會引入各種缺陷，如微孔、裂紋、斷鏈、交聯(lián)不均勻等。這些缺陷會破壞材料的結(jié)構(gòu)完整性，形成局部的電場畸變。在電場畸變區(qū)域，載流子的運(yùn)動受到影響，容易發(fā)生捕獲和積聚，從而形成空間電荷。微孔周圍的電場強(qiáng)度會明顯增強(qiáng)，使得載流子更容易在微孔附近積聚；交聯(lián)不均勻的區(qū)域，分子鏈的結(jié)構(gòu)和性能存在差異，也會導(dǎo)致電荷的積聚。電場和溫度的作用也會對空間電荷的產(chǎn)生和行為產(chǎn)生影響。隨著電場強(qiáng)度的增加，載流子的遷移率增大，注入到絕緣內(nèi)部的電荷數(shù)量增多，同時(shí)電荷的遷移和復(fù)合過程也會發(fā)生變化，導(dǎo)致空間電荷的分布更加復(fù)雜。溫度升高會使XLPE分子鏈的熱運(yùn)動加劇，載流子的遷移率增加，這會加快電荷的注入和遷移速度。溫度還會影響陷阱的深度和密度，從而改變電荷的捕獲和釋放過程。在高溫環(huán)境下，陷阱的深度可能會變淺，使得被捕獲的電荷更容易釋放出來，參與到電荷的傳輸過程中?？臻g電荷在XLPE絕緣內(nèi)的積聚和分布會對電場分布和絕緣性能產(chǎn)生顯著影響。空間電荷的存在會導(dǎo)致絕緣內(nèi)部電場分布發(fā)生畸變。當(dāng)空間電荷在絕緣內(nèi)部積聚時(shí)，會在其周圍產(chǎn)生附加電場。如果在靠近電極的區(qū)域積聚了大量同號電荷，會使該區(qū)域的電場強(qiáng)度增強(qiáng)，而遠(yuǎn)離電極的區(qū)域電場強(qiáng)度減弱。這種電場畸變會打破絕緣內(nèi)部原本均勻的電場分布，使得局部電場強(qiáng)度過高。當(dāng)局部電場強(qiáng)度超過XLPE絕緣的耐受能力時(shí)，就可能引發(fā)局部放電，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣材料的老化和損壞。局部放電會產(chǎn)生高能粒子和電磁波，這些高能粒子會撞擊XLPE分子鏈，導(dǎo)致分子鏈斷裂、交聯(lián)結(jié)構(gòu)破壞，從而降低絕緣材料的性能。空間電荷還會加速XLPE絕緣的老化。空間電荷的存在會導(dǎo)致電場分布不均勻，使得絕緣材料局部承受過高的電場應(yīng)力。在高電場應(yīng)力作用下，XLPE分子鏈會發(fā)生降解、氧化等化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料的性能逐漸劣化?？臻g電荷與XLPE分子之間的相互作用也會影響材料的結(jié)構(gòu)和性能。電荷的存在會改變分子鏈之間的相互作用力，使得分子鏈更容易發(fā)生移動和變形，從而降低材料的機(jī)械性能和絕緣性能。長期的空間電荷作用會導(dǎo)致XLPE絕緣的壽命大幅縮短，增加電纜發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)?？臻g電荷對絕緣性能的影響還體現(xiàn)在降低絕緣材料的擊穿強(qiáng)度。由于電場畸變和絕緣老化的作用，XLPE絕緣的擊穿強(qiáng)度會顯著下降。原本能夠承受較高電壓的絕緣材料，在空間電荷的影響下，可能在較低的電壓下就發(fā)生擊穿，從而導(dǎo)致電纜的絕緣失效。這對于高壓電纜的安全運(yùn)行是一個(gè)巨大的威脅，一旦電纜發(fā)生擊穿，會導(dǎo)致電力系統(tǒng)停電，影響生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行，甚至可能引發(fā)安全事故。因此，深入研究XLPE絕緣內(nèi)空間電荷的產(chǎn)生與影響，對于提高高壓電纜的絕緣性能和可靠性具有重要意義。三、半導(dǎo)電屏蔽材料改性方法3.1導(dǎo)電填料改性3.1.1選擇與優(yōu)化導(dǎo)電填料是決定半導(dǎo)電屏蔽材料導(dǎo)電性能的關(guān)鍵因素，其特性直接影響著材料的半導(dǎo)電特性、表面光滑度以及與基體樹脂的相容性等性能。因此，深入研究不同導(dǎo)電填料的特性，并進(jìn)行合理選擇與優(yōu)化，對于提高半導(dǎo)電屏蔽材料的性能至關(guān)重要。炭黑是目前電力電纜半導(dǎo)電屏蔽層中應(yīng)用最為廣泛的導(dǎo)電填料，主要包括爐法炭黑和乙炔炭黑。爐法炭黑由烴類石油或天然氣的氧化物制備而成，是傳統(tǒng)的半導(dǎo)電屏蔽料填料。其具有較高的比表面積，能夠在基體樹脂中形成一定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。然而，爐法炭黑表面存在較多的雜質(zhì)和缺陷，這可能會影響其在基體樹脂中的分散性，進(jìn)而影響半導(dǎo)電屏蔽材料的表面光滑度。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，使用爐法炭黑作為導(dǎo)電填料的半導(dǎo)電屏蔽材料，其表面容易出現(xiàn)較多的微小突起，這些突起會導(dǎo)致電場集中，增加局部放電的風(fēng)險(xiǎn)。乙炔炭黑由乙炔氣體連續(xù)熱分解制備而成，與爐法炭黑相比，其純度更高，雜質(zhì)更少。這使得乙炔炭黑在形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)時(shí)更加均勻，能夠有效降低半導(dǎo)電屏蔽材料的表面突起，提高表面光滑度。在制備超光滑半導(dǎo)電屏蔽料時(shí)，乙炔炭黑是主要的導(dǎo)電填料選擇。碳納米管作為一種新型的導(dǎo)電填料，具有優(yōu)異的電子導(dǎo)電性和獨(dú)特的纖維狀結(jié)構(gòu)。其纖維狀結(jié)構(gòu)能夠在電極活性材料中形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，極大地提高材料的導(dǎo)電性能。碳納米管的直徑小、長徑比大，在范德華力的作用下，極易發(fā)生團(tuán)聚。團(tuán)聚后的碳納米管無法充分發(fā)揮其導(dǎo)電性能，還會影響材料的其他性能。為了提高碳納米管在基體樹脂中的分散性，需要采用特殊的分散方法，如超聲分散、表面改性等。通過對碳納米管進(jìn)行表面改性，引入一些功能性基團(tuán)，能夠降低其表面能，減少團(tuán)聚現(xiàn)象，提高與基體樹脂的相容性。金屬導(dǎo)電填料如銀粉、銅粉等，具有極高的電導(dǎo)率。銀粉的電導(dǎo)率高達(dá)6.3×107S/m，銅粉的電導(dǎo)率也達(dá)到了5.96×107S/m。在一些對導(dǎo)電性能要求極高的場合，金屬導(dǎo)電填料具有很大的優(yōu)勢。金屬導(dǎo)電填料的成本較高，如銀粉的價(jià)格相對昂貴，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。金屬導(dǎo)電填料在使用過程中容易發(fā)生氧化，從而影響其導(dǎo)電性能。銅粉在空氣中容易被氧化生成氧化銅，氧化銅的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于銅本身，會導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性能下降。在選擇導(dǎo)電填料時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素。要根據(jù)半導(dǎo)電屏蔽材料的具體應(yīng)用場景和性能要求，確定所需的導(dǎo)電性能。如果是用于高壓電纜的半導(dǎo)電屏蔽層，需要保證材料在不同溫度和電場條件下都具有穩(wěn)定的半導(dǎo)電性能。要考慮導(dǎo)電填料與基體樹脂的相容性。相容性好的導(dǎo)電填料能夠在基體樹脂中均勻分散，形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高材料的綜合性能。碳納米管與一些極性基體樹脂的相容性較差，需要進(jìn)行表面改性來提高相容性。還需要考慮成本因素，在滿足性能要求的前提下，選擇成本較低的導(dǎo)電填料，以降低半導(dǎo)電屏蔽材料的生產(chǎn)成本。為了進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)電填料的性能，可以對其進(jìn)行表面處理和結(jié)構(gòu)調(diào)整。對于炭黑，可以通過氧化處理，在其表面引入含氧官能團(tuán)，如羧基、羥基等。這些含氧官能團(tuán)能夠提高炭黑與基體樹脂的界面相容性，改善炭黑的分散性。對碳納米管進(jìn)行表面接枝改性，在其表面接枝一些聚合物鏈，能夠增加碳納米管與基體樹脂之間的相互作用力，提高分散性和穩(wěn)定性。通過控制碳納米管的生長條件，調(diào)整其管徑、長度和缺陷密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，也能夠優(yōu)化其導(dǎo)電性能和與基體樹脂的相容性。導(dǎo)電填料的含量對材料性能也有重要影響。隨著導(dǎo)電填料含量的增加，半導(dǎo)電屏蔽材料的電導(dǎo)率通常會提高。當(dāng)導(dǎo)電填料含量過高時(shí)，會導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，如拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率降低。導(dǎo)電填料含量過高還可能會影響材料的加工性能，增加加工難度。在優(yōu)化導(dǎo)電填料含量時(shí)，需要通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，確定最佳的含量范圍，以實(shí)現(xiàn)材料性能的最優(yōu)化。可以采用正交試驗(yàn)等方法，研究不同導(dǎo)電填料含量、基體樹脂種類和其他添加劑含量對材料性能的影響，從而確定最佳的配方。3.1.2表面處理與復(fù)合填充對導(dǎo)電填料進(jìn)行表面處理是改善半導(dǎo)電屏蔽材料性能的重要手段之一。由于導(dǎo)電填料自身的特性，如炭黑比表面積大、表面能高，碳納米管易團(tuán)聚等，導(dǎo)致其在基體樹脂中的分散性往往較差。這不僅影響了材料的導(dǎo)電性能，還可能導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)缺陷，影響電場均勻性。通過表面處理，可以改善導(dǎo)電填料的表面性質(zhì)，提高其與基體樹脂的相容性和分散性。對于炭黑，常見的表面處理方法包括氧化處理和接枝改性。氧化處理通常使用強(qiáng)氧化劑，如硝酸、硫酸等，對炭黑表面進(jìn)行氧化。在氧化過程中，炭黑表面的碳原子與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，引入含氧官能團(tuán)，如羧基（-COOH）、羥基（-OH）和羰基（C=O）等。這些含氧官能團(tuán)的引入增加了炭黑表面的極性，使其更容易與極性的基體樹脂相互作用。以乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）為基體樹脂的半導(dǎo)電屏蔽材料中，經(jīng)過氧化處理的炭黑與EEA基體之間的界面結(jié)合力增強(qiáng)，炭黑在基體中的分散更加均勻。通過X射線光電子能譜（XPS）分析可以發(fā)現(xiàn)，氧化處理后的炭黑表面氧元素含量明顯增加，證明了含氧官能團(tuán)的引入。接枝改性則是通過化學(xué)反應(yīng)，將一些聚合物鏈或功能性基團(tuán)接枝到炭黑表面?？梢允褂煤须p鍵的聚合物單體，在引發(fā)劑的作用下，與炭黑表面的活性位點(diǎn)發(fā)生接枝反應(yīng)。接枝后的炭黑表面覆蓋了一層聚合物鏈，這不僅改善了炭黑與基體樹脂的相容性，還能在一定程度上提高材料的力學(xué)性能。在以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）為基體的半導(dǎo)電屏蔽材料中，接枝了聚乙烯鏈的炭黑能夠更好地分散在EVA基體中，材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都有一定程度的提高。碳納米管的表面處理主要是為了克服其團(tuán)聚問題，提高分散性和與基體樹脂的結(jié)合力。一種常用的方法是利用表面活性劑對碳納米管進(jìn)行包覆。表面活性劑分子由親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)組成，其疏水基團(tuán)能夠吸附在碳納米管表面，而親水基團(tuán)則朝外。這樣，碳納米管表面的性質(zhì)發(fā)生了改變，在溶液中更容易分散。在制備半導(dǎo)電屏蔽材料時(shí)，經(jīng)過表面活性劑包覆的碳納米管能夠更好地與基體樹脂混合，形成均勻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的碳納米管團(tuán)聚嚴(yán)重，而經(jīng)過表面活性劑包覆處理的碳納米管則分散較為均勻。還可以對碳納米管進(jìn)行化學(xué)修飾，如引入氨基（-NH2）、羧基等官能團(tuán)。這些官能團(tuán)能夠與基體樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合，從而增強(qiáng)碳納米管與基體樹脂的結(jié)合力。在以聚丙烯（PP）為基體的半導(dǎo)電屏蔽材料中，經(jīng)過氨基修飾的碳納米管與PP基體之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵，材料的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能都得到了顯著提升。復(fù)合填充不同填料是改善半導(dǎo)電屏蔽材料半導(dǎo)電特性和其他性能的有效策略。單一的導(dǎo)電填料往往存在一些局限性，通過復(fù)合填充可以實(shí)現(xiàn)不同填料之間的優(yōu)勢互補(bǔ)。將高長徑比的填料與炭黑復(fù)配填充，可以有效改善材料在高溫下的半導(dǎo)電特性。碳納米管具有高長徑比的特點(diǎn)，其纖維狀結(jié)構(gòu)能夠在材料中形成連續(xù)的導(dǎo)電通道。而炭黑則具有較高的比表面積，能夠在基體樹脂中形成大量的導(dǎo)電中心。將碳納米管和炭黑復(fù)合使用，碳納米管可以連接炭黑粒子，形成更加完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。在高溫環(huán)境下，基體樹脂的熱膨脹可能會破壞炭黑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，但碳納米管的連續(xù)導(dǎo)電通道能夠在一定程度上維持材料的導(dǎo)電性能。研究表明，在以乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）為基體的半導(dǎo)電屏蔽材料中，當(dāng)碳納米管和炭黑按一定比例復(fù)合填充時(shí)，材料在90℃高溫下的體積電阻率明顯低于單一使用炭黑作為導(dǎo)電填料的情況。還可以將導(dǎo)電填料與其他功能性填料復(fù)合使用，以改善材料的綜合性能。將導(dǎo)電炭黑與納米二氧化硅復(fù)合填充，可以提高半導(dǎo)電屏蔽材料的力學(xué)性能和耐老化性能。納米二氧化硅具有較高的硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠增強(qiáng)材料的機(jī)械強(qiáng)度。納米二氧化硅還能夠抑制導(dǎo)電炭黑的團(tuán)聚，提高其在基體樹脂中的分散性。在以高密度聚乙烯（HDPE）為基體的半導(dǎo)電屏蔽材料中，添加適量的納米二氧化硅和導(dǎo)電炭黑后，材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都有所提高，同時(shí)材料的耐氧化性能也得到了增強(qiáng)。通過熱重分析（TGA）可以發(fā)現(xiàn)，添加納米二氧化硅后的半導(dǎo)電屏蔽材料在高溫下的熱穩(wěn)定性更好，質(zhì)量損失速率降低。在復(fù)合填充過程中，需要注意不同填料之間的比例和分散情況。比例不合適可能無法充分發(fā)揮各填料的優(yōu)勢，甚至?xí)?dǎo)致材料性能下降。而分散不均勻則會導(dǎo)致材料內(nèi)部性能不一致，出現(xiàn)局部缺陷。因此，在制備復(fù)合填充的半導(dǎo)電屏蔽材料時(shí)，需要通過優(yōu)化加工工藝，如采用高速攪拌、超聲分散等方法，確保不同填料在基體樹脂中均勻分散。還需要通過實(shí)驗(yàn)研究，確定不同填料的最佳復(fù)合比例，以實(shí)現(xiàn)材料性能的最優(yōu)化。3.2基體樹脂改性3.2.1接枝共聚與共混改性接枝共聚是一種在基體樹脂分子鏈上引入特定基團(tuán)的有效方法，它能夠顯著改變基體樹脂的性能，從而提升半導(dǎo)電屏蔽材料的綜合性能。以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）為例，EVA是由乙烯和醋酸乙烯酯單體共聚而成的熱固性基體樹脂。在EVA的分子鏈上，醋酸乙烯酯（VA）單元的含量對其性能有重要影響。當(dāng)VA含量較低時(shí)，EVA的性能接近聚乙烯，具有較高的結(jié)晶度和剛性；隨著VA含量的增加，EVA的結(jié)晶度降低，柔韌性和透明度提高。為了進(jìn)一步改善EVA的性能，可以通過接枝共聚在其分子鏈上引入其他功能性基團(tuán)。使用馬來酸酐（MAH）作為接枝單體，在引發(fā)劑的作用下，MAH可以與EVA分子鏈發(fā)生接枝反應(yīng)。馬來酸酐中的雙鍵能夠與EVA分子鏈上的活性位點(diǎn)發(fā)生加成反應(yīng)，從而將馬來酸酐基團(tuán)接枝到EVA分子鏈上。接枝后的EVA（EVA-g-MAH），由于引入了極性的馬來酸酐基團(tuán)，其與極性的導(dǎo)電填料（如某些表面經(jīng)過改性的炭黑）之間的相容性得到了顯著提高。通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析可以發(fā)現(xiàn)，EVA-g-MAH在1780cm-1和1850cm-1處出現(xiàn)了明顯的吸收峰，這分別對應(yīng)于馬來酸酐基團(tuán)中羰基的伸縮振動，證明了馬來酸酐基團(tuán)的成功接枝。這種相容性的提高使得導(dǎo)電填料在基體樹脂中的分散更加均勻，從而改善了半導(dǎo)電屏蔽材料的導(dǎo)電性能。研究表明，在相同的導(dǎo)電填料含量下，使用EVA-g-MAH作為基體樹脂的半導(dǎo)電屏蔽材料，其體積電阻率比未接枝的EVA基體材料降低了約30%。共混改性是將兩種或兩種以上不同的樹脂混合在一起，形成一種新的復(fù)合材料，以綜合利用各樹脂的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)單一樹脂的不足。將乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）與聚乙烯（PE）共混，可以改善半導(dǎo)電屏蔽材料的性能。EEA具有良好的柔韌性和與XLPE絕緣的結(jié)合性能，而PE則具有較高的結(jié)晶度和力學(xué)強(qiáng)度。通過將EEA和PE按一定比例共混，可以得到一種兼具良好柔韌性和較高力學(xué)強(qiáng)度的基體材料。在共混過程中，需要考慮兩種樹脂的相容性問題。由于EEA和PE的分子結(jié)構(gòu)存在一定差異，它們之間的相容性并不理想。為了提高相容性，可以添加相容劑。使用乙烯-丙烯酸丁酯-馬來酸酐三元共聚物（EBA-g-MAH）作為相容劑，EBA-g-MAH中的丙烯酸丁酯單元與EEA和PE具有相似的結(jié)構(gòu)，能夠在兩者之間起到橋梁作用，增強(qiáng)它們之間的相互作用力。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察共混材料的微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，添加相容劑后，EEA和PE的相界面變得模糊，表明兩者的相容性得到了顯著改善。這種相容性的改善使得共混材料的力學(xué)性能得到了提升。研究發(fā)現(xiàn)，添加相容劑后的EEA/PE共混材料，其拉伸強(qiáng)度比未添加相容劑時(shí)提高了約20%，斷裂伸長率也有所增加。接枝共聚和共混改性對材料性能的影響是多方面的。在電學(xué)性能方面，通過接枝共聚引入的功能性基團(tuán)可以改善基體樹脂與導(dǎo)電填料的相互作用，使導(dǎo)電填料在基體中分散更加均勻，從而提高材料的導(dǎo)電性能。在共混改性中，合理選擇共混樹脂和相容劑，可以優(yōu)化材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升電學(xué)性能。在力學(xué)性能方面，接枝共聚可以通過改變分子鏈的結(jié)構(gòu)和相互作用，提高材料的柔韌性或剛性。共混改性則可以綜合不同樹脂的力學(xué)性能優(yōu)勢，使材料在拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等方面達(dá)到更好的平衡。在加工性能方面，接枝共聚和共混改性可能會改變材料的熔體粘度、流動性等加工特性。在接枝共聚中，引入的基團(tuán)可能會增加分子鏈之間的相互作用，導(dǎo)致熔體粘度升高；而在共混改性中，不同樹脂的熔體粘度差異可能會影響共混材料的加工性能。因此，在進(jìn)行接枝共聚和共混改性時(shí)，需要綜合考慮材料的各項(xiàng)性能要求，通過優(yōu)化工藝參數(shù)和配方，實(shí)現(xiàn)材料性能的最優(yōu)化。3.2.2新型基體樹脂的應(yīng)用隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，新型基體樹脂在半導(dǎo)電屏蔽材料中的應(yīng)用潛力逐漸受到關(guān)注。這些新型基體樹脂具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，與傳統(tǒng)基體樹脂相比，在性能上存在諸多差異，有望為半導(dǎo)電屏蔽材料的性能提升帶來新的突破。聚烯烴彈性體（POE）是一種新型的熱塑性彈性體，它是由乙烯和辛烯通過茂金屬催化共聚而成。POE具有優(yōu)異的柔韌性、良好的耐低溫性能和出色的力學(xué)性能。其分子結(jié)構(gòu)中，乙烯鏈段提供了結(jié)晶性和剛性，而辛烯鏈段則賦予了材料柔韌性和彈性。與傳統(tǒng)的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）相比，POE在柔韌性和耐低溫性能方面表現(xiàn)更為出色。在低溫環(huán)境下，EVA的柔韌性會明顯下降，而POE仍能保持良好的柔韌性，這使得以POE為基體的半導(dǎo)電屏蔽材料在寒冷地區(qū)的電纜應(yīng)用中具有優(yōu)勢。POE還具有較好的加工性能，其熔體流動性良好，易于成型加工。在半導(dǎo)電屏蔽材料的制備過程中，POE能夠更好地與導(dǎo)電填料混合，使得導(dǎo)電填料在基體中的分散更加均勻。研究表明，在相同的加工條件下，以POE為基體的半導(dǎo)電屏蔽材料中，導(dǎo)電填料的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，材料的導(dǎo)電性能更加穩(wěn)定。液晶聚合物（LCP）是一類具有獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)和性能的新型材料。LCP分子鏈具有高度的取向性和有序性，在一定條件下能夠形成液晶態(tài)。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了LCP優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫性能和尺寸穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）相比，LCP的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度更高，能夠承受更大的外力作用。LCP的耐高溫性能也非常突出，其熱變形溫度遠(yuǎn)高于EEA。在高溫環(huán)境下，EEA可能會發(fā)生軟化變形，而LCP仍能保持良好的尺寸穩(wěn)定性，這使得以LCP為基體的半導(dǎo)電屏蔽材料在高溫環(huán)境下的電纜應(yīng)用中具有重要意義。LCP還具有良好的電性能，其介電常數(shù)低、介電損耗小，能夠有效減少電場畸變和能量損耗。在高壓電纜中，使用LCP作為半導(dǎo)電屏蔽材料的基體，可以提高電纜的絕緣性能和輸電效率。然而，新型基體樹脂在應(yīng)用過程中也面臨一些挑戰(zhàn)。POE的成本相對較高，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為了降低成本，需要進(jìn)一步優(yōu)化POE的生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)尋找合適的替代原料。LCP的加工難度較大，由于其分子鏈的高度取向性，在加工過程中容易出現(xiàn)取向不均勻的問題，影響材料的性能。為了解決這個(gè)問題，需要開發(fā)特殊的加工工藝和設(shè)備，如采用高速剪切、多軸取向等加工方法，確保LCP在加工過程中分子鏈能夠均勻取向。新型基體樹脂與導(dǎo)電填料的相容性也是一個(gè)需要關(guān)注的問題。由于新型基體樹脂的分子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)基體樹脂不同，其與導(dǎo)電填料之間的相互作用可能存在差異。因此，需要對導(dǎo)電填料進(jìn)行表面處理或添加合適的相容劑，以提高新型基體樹脂與導(dǎo)電填料的相容性，確保半導(dǎo)電屏蔽材料的性能。3.3其他改性手段3.3.1添加助劑改性在半導(dǎo)電屏蔽材料的制備過程中，添加助劑是一種常用的改性手段，它能夠?qū)Σ牧系男阅墚a(chǎn)生多方面的影響，有效優(yōu)化材料的綜合性能。交聯(lián)劑是一種重要的助劑，其主要作用是使基體樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而改變材料的分子結(jié)構(gòu)和性能。以過氧化物類引發(fā)劑雙叔丁基過氧化異丙基苯為例，在高溫條件下，它會分解產(chǎn)生自由基。這些自由基具有高度的活性，能夠與基體樹脂分子鏈上的氫原子發(fā)生反應(yīng)，奪取氫原子后形成大分子自由基。不同的大分子自由基之間會相互結(jié)合，在分子鏈之間形成共價(jià)鍵，進(jìn)而使基體樹脂從線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種交聯(lián)后的結(jié)構(gòu)顯著提高了材料的力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、硬度和耐磨性等。交聯(lián)后的材料耐熱性能也得到了提升，能夠在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。研究表明，在以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）為基體樹脂的半導(dǎo)電屏蔽材料中，添加適量的雙叔丁基過氧化異丙基苯后，材料的拉伸強(qiáng)度提高了約30%，熱變形溫度提高了20℃左右。這是因?yàn)榻宦?lián)反應(yīng)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)限制了分子鏈的運(yùn)動，使得材料在受到外力或高溫作用時(shí)，能夠更好地保持其結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性?？寡鮿┦橇硪环N關(guān)鍵的助劑，其主要功能是防止材料在加工和使用過程中因氧化而老化。抗氧劑1010和抗氧劑168是常用的抗氧劑。抗氧劑1010是一種受阻酚類抗氧劑，它具有多個(gè)酚羥基，能夠捕捉材料在氧化過程中產(chǎn)生的自由基，中斷氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)?？寡鮿?68是一種亞磷酸酯類抗氧劑，它主要通過分解材料氧化過程中產(chǎn)生的氫過氧化物，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化合物，從而抑制氧化反應(yīng)的進(jìn)行。將抗氧劑1010和抗氧劑168復(fù)配使用時(shí)，它們能夠發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。在材料的加工過程中，由于溫度較高，氧化反應(yīng)較為劇烈，抗氧劑168能夠快速分解氫過氧化物，有效抑制氧化反應(yīng)的起始階段；而在材料的長期使用過程中，抗氧劑1010則能夠持續(xù)捕捉自由基，防止氧化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展。通過熱重分析（TGA）可以發(fā)現(xiàn)，添加了抗氧劑1010和抗氧劑168復(fù)配體系的半導(dǎo)電屏蔽材料，其熱分解溫度提高了15℃左右，在高溫下的質(zhì)量損失速率明顯降低。這表明抗氧劑的添加顯著提高了材料的抗氧化性能，延長了材料的使用壽命。除了交聯(lián)劑和抗氧劑，其他助劑如偶聯(lián)劑和潤滑劑也在半導(dǎo)電屏蔽材料中發(fā)揮著重要作用。偶聯(lián)劑能夠改善導(dǎo)電填料與基體樹脂之間的界面相容性。它的分子結(jié)構(gòu)中通常含有兩種不同性質(zhì)的基團(tuán)，一種基團(tuán)能夠與導(dǎo)電填料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合；另一種基團(tuán)則能夠與基體樹脂分子相互作用，形成良好的界面結(jié)合。在以乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）為基體樹脂，炭黑為導(dǎo)電填料的半導(dǎo)電屏蔽材料中，添加硅烷偶聯(lián)劑后，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，炭黑在EEA基體中的分散更加均勻，界面結(jié)合更加緊密。這是因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑在炭黑和EEA基體之間形成了橋梁，增強(qiáng)了兩者之間的相互作用力，從而提高了材料的綜合性能。潤滑劑則主要用于降低材料在加工過程中的摩擦力，提高加工性能。在半導(dǎo)電屏蔽材料的擠出成型過程中，潤滑劑能夠減少材料與加工設(shè)備之間的粘附，使材料更容易流動，從而提高擠出效率和產(chǎn)品質(zhì)量。硬脂酸是一種常用的潤滑劑，它能夠在材料表面形成一層潤滑膜，降低材料與設(shè)備表面的摩擦系數(shù)。在半導(dǎo)電屏蔽材料的加工過程中，添加適量的硬脂酸后，擠出機(jī)的扭矩明顯降低，擠出速度提高了約20%，同時(shí)產(chǎn)品的表面質(zhì)量得到了顯著改善，表面粗糙度降低。這表明潤滑劑的添加有效地改善了材料的加工性能，提高了生產(chǎn)效率。在添加助劑進(jìn)行改性時(shí)，需要精確控制助劑的種類和用量。不同種類的助劑具有不同的作用機(jī)理和效果，選擇不當(dāng)可能無法達(dá)到預(yù)期的改性目的。助劑的用量也需要嚴(yán)格控制，用量過少可能無法充分發(fā)揮其作用，而用量過多則可能會對材料的其他性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在添加交聯(lián)劑時(shí)，如果用量過多，可能會導(dǎo)致材料過度交聯(lián)，使其柔韌性和加工性能下降；在添加抗氧劑時(shí)，如果用量過多，可能會引起材料的電性能下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)和分析，確定助劑的最佳種類和用量，以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)電屏蔽材料綜合性能的優(yōu)化。3.3.2加工工藝優(yōu)化加工工藝對半導(dǎo)電屏蔽材料的結(jié)構(gòu)和性能有著顯著的影響，通過優(yōu)化加工工藝，可以有效提升材料的性能，滿足高壓電纜對半導(dǎo)電屏蔽材料的嚴(yán)格要求?；鞜捠前雽?dǎo)電屏蔽材料制備過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響著各組分在基體樹脂中的分散均勻性。在混煉過程中，常用的設(shè)備有雙螺桿擠出機(jī)等。雙螺桿擠出機(jī)具有較強(qiáng)的剪切和混合能力，能夠使基體樹脂、導(dǎo)電填料、交聯(lián)劑、抗氧劑及其他加工助劑充分混合。在混煉過程中，螺桿的轉(zhuǎn)速、溫度以及混煉時(shí)間等參數(shù)對材料性能有著重要影響。較高的螺桿轉(zhuǎn)速能夠增強(qiáng)剪切力，使各組分分散更加均勻，但過高的轉(zhuǎn)速可能會導(dǎo)致材料溫度升高過快，引起交聯(lián)劑過早分解，影響交聯(lián)效果。研究表明，在以乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）為基體樹脂，乙炔炭黑為導(dǎo)電填料的半導(dǎo)電屏蔽材料混煉過程中，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速從200r/min提高到300r/min時(shí)，乙炔炭黑在EBA基體中的分散均勻性明顯提高，材料的體積電阻率降低了約20%，這是因?yàn)楦鶆虻姆稚⑹沟脤?dǎo)電填料能夠形成更完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。然而，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高到400r/min時(shí)，材料的交聯(lián)程度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，部分區(qū)域過度交聯(lián)，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，拉伸強(qiáng)度降低了15%左右。混煉溫度也對材料性能有重要影響。適當(dāng)提高混煉溫度可以降低材料的粘度，提高各組分的流動性，有利于混合均勻。但溫度過高會加速交聯(lián)劑的分解，同樣會影響交聯(lián)效果和材料性能。在上述材料體系中，當(dāng)混煉溫度從150℃升高到170℃時(shí)，各組分的混合更加充分，材料的表面光滑度得到提高，通過白光干涉三維表面輪廓掃描技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)，材料表面的最大突起高度從0.1mm降低到了0.06mm。當(dāng)混煉溫度升高到190℃時(shí)，交聯(lián)劑過早分解，導(dǎo)致材料的交聯(lián)程度不足，材料的耐熱性能下降，在高溫下的體積電阻率不穩(wěn)定。擠出工藝也是影響半導(dǎo)電屏蔽材料性能的重要因素。在擠出過程中，溫度分布、擠出速度等參數(shù)會影響材料的成型質(zhì)量和性能。擠出機(jī)通常分為多個(gè)加熱區(qū)，每個(gè)區(qū)域的溫度需要精確控制。合理的溫度分布能夠保證材料在擠出過程中具有良好的流動性，同時(shí)避免材料過熱分解或交聯(lián)不均勻。在擠出半導(dǎo)電屏蔽材料時(shí)，從進(jìn)料區(qū)到機(jī)頭，溫度通常逐漸升高。進(jìn)料區(qū)溫度較低，有助于物料的輸送和初步混合；而靠近機(jī)頭的區(qū)域溫度較高，能夠使材料充分熔融，保證擠出的連續(xù)性和成型質(zhì)量。如果進(jìn)料區(qū)溫度過高，可能會導(dǎo)致物料提前熔融，影響輸送效果；而機(jī)頭溫度過低，則可能會使材料擠出困難，表面出現(xiàn)缺陷。擠出速度也需要根據(jù)材料的特性和設(shè)備的性能進(jìn)行調(diào)整。過快的擠出速度可能會導(dǎo)致材料在模頭處的壓力不均勻，出現(xiàn)擠出脹大等現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量。過慢的擠出速度則會降低生產(chǎn)效率。在生產(chǎn)以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）為基體的半導(dǎo)電屏蔽材料時(shí)，當(dāng)擠出速度從1m/min提高到2m/min時(shí)，材料在模頭處的壓力波動增大，產(chǎn)品的直徑偏差從±0.1mm增加到了±0.3mm，表面粗糙度也有所增加。通過優(yōu)化擠出速度，將其控制在1.5m/min左右時(shí)，產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量都得到了較好的保證。為了優(yōu)化加工工藝，還可以采用一些先進(jìn)的加工技術(shù)和設(shè)備。采用在線監(jiān)測技術(shù)，在混煉和擠出過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測材料的溫度、壓力、粘度等參數(shù)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，確保材料性能的穩(wěn)定性。使用新型的混煉設(shè)備，如往復(fù)式單螺桿混煉擠出機(jī)，它結(jié)合了單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有更好的混合效果和節(jié)能優(yōu)勢。在加工半導(dǎo)電屏蔽材料時(shí)，往復(fù)式單螺桿混煉擠出機(jī)能夠使導(dǎo)電填料在基體樹脂中分散更加均勻，材料的電性能和力學(xué)性能都得到了進(jìn)一步提升。通過優(yōu)化加工工藝，能夠有效改善半導(dǎo)電屏蔽材料的結(jié)構(gòu)和性能，提高材料的表面光滑度、導(dǎo)電性能、力學(xué)性能等關(guān)鍵指標(biāo)，為高壓電纜的安全可靠運(yùn)行提供更有力的保障。四、XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布測試4.1測試方法原理4.1.1電聲脈沖法（PEA）電聲脈沖法（PulsedElectro-Acoustic，PEA）是一種廣泛應(yīng)用于測量XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的技術(shù)，其原理基于電聲相互轉(zhuǎn)換的效應(yīng)，能夠較為精確地獲取絕緣材料內(nèi)部空間電荷的分布信息。在PEA測試中，首先將XLPE絕緣樣品放置在兩個(gè)電極之間，其中一個(gè)電極為高壓電極，另一個(gè)為接地電極。在樣品兩端施加一個(gè)直流偏置電壓，使樣品處于一定的電場環(huán)境中，此時(shí)空間電荷會在樣品內(nèi)部積聚。然后，向高壓電極施加一個(gè)高壓窄脈沖，這個(gè)脈沖的上升時(shí)間極快，通常在納秒級，持續(xù)時(shí)間很短。高壓窄脈沖的作用是在樣品內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)瞬間的電場擾動。當(dāng)這個(gè)電場擾動作用于已經(jīng)積聚在樣品內(nèi)部的空間電荷時(shí)，空間電荷會受到電場力的作用而產(chǎn)生微小位移。這種微小位移會導(dǎo)致電荷周圍的介質(zhì)發(fā)生彈性形變，從而產(chǎn)生聲波。聲波在XLPE絕緣樣品中以一定的速度傳播，其傳播速度取決于樣品的材料特性。為了檢測這些聲波，在樣品的另一側(cè)放置一個(gè)壓電傳感器。壓電傳感器具有壓電效應(yīng)，當(dāng)聲波傳播到壓電傳感器時(shí)，會使壓電傳感器發(fā)生形變，根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電傳感器會將這種形變轉(zhuǎn)換為電信號輸出。通過檢測壓電傳感器輸出的電信號，可以獲取空間電荷分布的相關(guān)信息。電信號的幅值與空間電荷的密度成正比，電信號到達(dá)壓電傳感器的時(shí)間與空間電荷在樣品內(nèi)部的位置相關(guān)。通過測量電信號到達(dá)的時(shí)間，并結(jié)合聲波在樣品中的傳播速度，可以計(jì)算出空間電荷在樣品內(nèi)部的位置，從而得到空間電荷的分布情況。具體來說，假設(shè)聲波在XLPE絕緣樣品中的傳播速度為v，電信號從空間電荷產(chǎn)生位置傳播到壓電傳感器的時(shí)間為t，那么空間電荷與壓電傳感器之間的距離x可以通過公式x=vt計(jì)算得到。通過對不同時(shí)間點(diǎn)接收到的電信號進(jìn)行分析，就可以繪制出空間電荷在樣品厚度方向上的分布曲線。在實(shí)際測量中，由于聲波在傳播過程中會發(fā)生衰減和色散，以及測量系統(tǒng)本身存在一定的噪聲，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。為了提高測量的準(zhǔn)確性，需要對測量信號進(jìn)行處理。通常采用反卷積等算法對測量信號進(jìn)行修正，以補(bǔ)償聲波傳播過程中的衰減和色散，盡可能還原真實(shí)的空間電荷分布情況。還可以通過多次測量取平均值的方法來減小噪聲的影響，提高測量的可靠性。4.1.2壓力波法（PWP）壓力波法（PressureWavePropagation，PWP）也是一種用于測量XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的重要方法，其原理與電聲脈沖法有一定的相似性，但也存在一些差異。壓力波法的基本原理是基于壓電效應(yīng)和壓力波的傳播。在測試過程中，首先在XLPE絕緣樣品的一側(cè)放置一個(gè)壓電壓力波源，另一側(cè)放置一個(gè)壓電傳感器。當(dāng)對壓電壓力波源施加一個(gè)電脈沖激勵時(shí)，壓電壓力波源會產(chǎn)生一個(gè)壓力波。這個(gè)壓力波在XLPE絕緣樣品中傳播，當(dāng)壓力波傳播到樣品內(nèi)部存在空間電荷的區(qū)域時(shí)，由于空間電荷的存在會導(dǎo)致樣品內(nèi)部的電場發(fā)生畸變，而電場的畸變又會引起介質(zhì)的彈性模量發(fā)生變化。這種彈性模量的變化會使壓力波在傳播過程中產(chǎn)生反射和折射，從而改變壓力波的傳播特性。壓電傳感器用于檢測經(jīng)過空間電荷區(qū)域后的壓力波信號。由于壓力波在經(jīng)過空間電荷區(qū)域時(shí)發(fā)生了變化，通過分析壓電傳感器接收到的壓力波信號的變化，就可以推斷出空間電荷在樣品內(nèi)部的分布情況。通過測量壓力波信號的幅值變化、傳播時(shí)間變化以及波形的畸變情況等參數(shù)，利用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和算法，可以計(jì)算出空間電荷的密度和位置。與電聲脈沖法相比，壓力波法在測量原理上存在一些不同之處。電聲脈沖法是通過高壓脈沖激發(fā)空間電荷產(chǎn)生聲波，而壓力波法是通過外部施加的壓力波與空間電荷相互作用來檢測空間電荷分布。在適用范圍方面，兩者也存在一定差異。電聲脈沖法由于其測量原理的特點(diǎn)，對于較薄的XLPE絕緣樣品能夠?qū)崿F(xiàn)較高的空間分辨率測量，適用于研究絕緣材料內(nèi)部微觀層面的空間電荷分布情況。而壓力波法在測量較厚的樣品時(shí)具有一定優(yōu)勢，因?yàn)樗梢酝ㄟ^調(diào)整壓力波的特性和測量參數(shù)，較好地穿透較厚的樣品，獲取樣品內(nèi)部整體的空間電荷分布信息。壓力波法在測量過程中受到樣品表面狀態(tài)和電極接觸情況的影響相對較小，對于一些表面不規(guī)則或電極接觸難以保證良好的樣品，壓力波法可能更具適用性。但壓力波法的測量系統(tǒng)相對復(fù)雜，對壓力波源和傳感器的性能要求較高，且測量信號的處理和分析也較為繁瑣，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。四、XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布測試4.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4.2.1樣品制備為了深入研究半導(dǎo)電屏蔽材料改性對XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布的影響，精心設(shè)計(jì)并制備了一系列不同改性半導(dǎo)電屏蔽材料與XLPE絕緣組合的樣品。在半導(dǎo)電屏蔽材料的制備過程中，系統(tǒng)地改變基體樹脂和導(dǎo)電填料的種類及配比?；w樹脂選用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物（EBA）、聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE）。導(dǎo)電填料選用爐法炭黑、乙炔炭黑、碳納米管和銀粉。以EVA為基體樹脂，分別研究爐法炭黑和乙炔炭黑不同含量（5%、10%、15%、20%、25%）時(shí)半導(dǎo)電屏蔽材料的性能。在制備過程中，將基體樹脂、導(dǎo)電填料、交聯(lián)劑（雙叔丁基過氧化異丙基苯，用量為基體樹脂質(zhì)量的1%）、抗氧劑（抗氧劑1010和抗氧劑168復(fù)配，總用量為基體樹脂質(zhì)量的0.5%，兩者比例為1:1）及其他加工助劑（偶聯(lián)劑為基體樹脂質(zhì)量的0.3%，潤滑劑為基體樹脂質(zhì)量的0.2%）加入雙螺桿擠出機(jī)中。設(shè)定雙螺桿擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速為250r/min，從進(jìn)料區(qū)到機(jī)頭的溫度依次設(shè)置為130℃、150℃、170℃、180℃、190℃，混煉時(shí)間為10min。通過這樣的工藝參數(shù)，使各組分充分混合，然后經(jīng)擠出成型得到半導(dǎo)電屏蔽材料。對于XLPE絕緣樣品，采用聚乙烯樹脂為原料，加入交聯(lián)劑（過氧化二異丙苯，用量為聚乙烯樹脂質(zhì)量的1.2%）和抗氧劑（抗氧劑1010，用量為聚乙烯樹脂質(zhì)量的0.3%）。將原料放入平板硫化機(jī)中，在170℃下預(yù)壓5min，然后在15MPa壓力下硫化15min，得到XLPE絕緣片材。為了模擬實(shí)際電纜結(jié)構(gòu)，采用三層共擠工藝將半導(dǎo)電屏蔽層與XLPE絕緣層緊密結(jié)合。在共擠過程中，控制半導(dǎo)電屏蔽層和XLPE絕緣層的擠出速度和溫度，確保兩者之間的界面結(jié)合良好。半導(dǎo)電屏蔽層的擠出溫度控制在180-200℃，擠出速度為1.2m/min；XLPE絕緣層的擠出溫度控制在160-180℃，擠出速度為1m/min。通過這樣的工藝，制備出不同改性半導(dǎo)電屏蔽材料與XLPE絕緣組合的樣品，每個(gè)組合制備5個(gè)平行樣品，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。4.2.2測試條件設(shè)置在進(jìn)行XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布測試時(shí)，合理設(shè)置測試條件對于準(zhǔn)確獲取空間電荷分布信息至關(guān)重要。測試溫度設(shè)置為25℃、50℃、70℃和90℃。選擇這些溫度的依據(jù)是考慮到高壓電纜在實(shí)際運(yùn)行過程中可能會經(jīng)歷不同的環(huán)境溫度，25℃代表常溫環(huán)境，50℃和70℃模擬電纜在正常運(yùn)行時(shí)因電流發(fā)熱而升高的溫度，90℃則接近XLPE絕緣的長期工作溫度上限。不同溫度下，XLPE分子鏈的熱運(yùn)動程度不同，這會影響載流子的遷移率和陷阱特性，進(jìn)而影響空間電荷的注入、傳輸和積聚過程。在高溫下，XLPE分子鏈的熱運(yùn)動加劇，載流子的遷移率增加，空間電荷更容易注入和遷移，可能導(dǎo)致電荷分布更加復(fù)雜。電場強(qiáng)度設(shè)置為10kV/mm、20kV/mm、30kV/mm和40kV/mm。電場強(qiáng)度是影響空間電荷行為的關(guān)鍵因素之一，不同的電場強(qiáng)度會導(dǎo)致載流子的注入速度和遷移路徑發(fā)生變化。隨著電場強(qiáng)度的增加，載流子的注入能力增強(qiáng)，更多的電荷會進(jìn)入XLPE絕緣內(nèi)部，從而改變空間電荷的分布形態(tài)。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，可能會引發(fā)局部放電等絕緣故障，因此研究不同電場強(qiáng)度下的空間電荷分布對于評估電纜的絕緣性能具有重要意義。測試過程中，對樣品施加直流電壓，電壓作用時(shí)間分別為5min、15min、30min、60min和120min。研究不同電壓作用時(shí)間下空間電荷的動態(tài)變化過程，隨著電壓作用時(shí)間的延長，空間電荷在XLPE絕緣內(nèi)部不斷注入、遷移和積聚，其分布情況會逐漸發(fā)生改變。通過測量不同時(shí)間點(diǎn)的空間電荷分布，可以了解空間電荷的形成和發(fā)展規(guī)律，為分析電纜絕緣性能的長期變化提供依據(jù)。在測試過程中，保持測試環(huán)境的相對濕度為（40±5）%，以減少濕度對測試結(jié)果的影響。濕度可能會導(dǎo)致XLPE絕緣材料內(nèi)部的水分含量增加，水分會影響材料的電導(dǎo)率和陷阱特性，進(jìn)而影響空間電荷的分布。通過控制相對濕度，可以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3測試結(jié)果分析4.3.1空間電荷分布特征通過電聲脈沖法（PEA）和壓力波法（PWP）對不同樣品的XLPE絕緣內(nèi)空間電荷分布進(jìn)行測試后，得到了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，揭示了不同樣品XLPE絕緣內(nèi)空間電荷的分布特征。在電荷極性方面，測試結(jié)果顯示，在不同的測試條件下，XLPE絕緣內(nèi)均檢測到了正、負(fù)兩種極性的空間電荷。在較低電場強(qiáng)度（如10kV/mm）和常溫（25℃）條件下，樣品中負(fù)電荷的注入量相對較少，主要以正電荷的積聚為主。這是因?yàn)樵谶@種情況下，電極與XLPE絕緣之間的界面勢壘使得電子的注入相對困難，而空穴更容易從電極注入到絕緣內(nèi)部。隨著電場強(qiáng)度的增加（如達(dá)到40kV/mm）和溫度的升高（如90℃），負(fù)電荷的注入量明顯增加，正、負(fù)電荷在絕緣內(nèi)部的分布更加復(fù)雜。這是由于高溫和高電場強(qiáng)度會降低電極與絕緣之間的界面勢壘，使得電子更容易注入到絕緣內(nèi)部，同時(shí)載流子的遷移率增加，電荷的復(fù)合和擴(kuò)散過程也更加活躍，導(dǎo)致正、負(fù)電荷在絕緣內(nèi)部的分布發(fā)生變化。在電荷密度方面，不同樣品的空間電荷密度存在明顯差異。以使用不同基體樹脂的半導(dǎo)電屏蔽材料與XLPE絕緣組合的樣品為例，當(dāng)基體樹脂為乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA）時(shí)，在電場強(qiáng)度為20kV/mm、溫度為70℃、電壓作用時(shí)間為30min的條件下，XLPE絕緣內(nèi)的空間電荷密度相對較低，最大值約為2.5μC/cm3。這是因?yàn)镋EA與XLPE絕緣具有較好的相容性，其界面特性有利于抑制電荷的注入和積聚。而當(dāng)基體樹脂為聚丙烯（PP）時(shí)，在相同測試條件下，XLPE絕緣內(nèi)的空間電荷密度較高，最大值達(dá)到了4.0μC/cm3。這是由于PP與XLPE絕緣的相容性較差，界