摘要
环氧树脂材料作为一种绝缘性能优异的聚合物电介质，被广泛应用于各类高压电力设备中。随着电力设备应用场景的多元化，复杂多变的运行环境对电工环氧树脂材料的绝缘性能提出了更高的要求。改善环氧树脂材料的电荷输运特性，可以加速材料中积聚电荷的消散，是提高材料绝缘强度的一种有潜力的方法。 环氧树脂材料的电荷输运特性与材料中的交联网络结构密切相关。在环氧树脂材料的环氧树脂/固化剂交联网络结构中，环氧树脂组分和固化剂组分的分子结构变化都将影响材料的电荷输运特性。探究交联网络结构中各组分的分子结构变化对环氧树脂材料的电荷陷阱特性以及电荷输运特性的影响，可为设计合成高绝缘强度的环氧树脂材料，提高材料的绝缘可靠性提供一定的理论依据。 在本文中，利用量子化学计算和空间电荷测试，探究固化剂组分中的甲基和碳碳双键差异、环氧树脂组分中的可水解氯差异、湿热老化后氯原子的水解，这三种分子结构变化对环氧树脂材料电荷陷阱特性和电荷输运特性的影响。从电子能量结构和电子云偏移的微观角度对这些影响规律进行了解释。得出结论如下。 甲基和碳碳双键之间的相互作用，改变了环氧树脂/固化剂交联分子在价键之间和价键上的电子云密度的空间分布，继而改变了交联分子的电荷陷阱深度。邻苯二甲酸酐固化的环氧树脂样件具有比其它五种常见酸酐固化的环氧树脂样件高得多的浅电子陷阱密度。这有利于电子的隧道传输，导致由邻苯二甲酸酐固化的环氧树脂样件具有最快的表面电子初始衰减速率。 可水解氯原子通过其诱导效应以及其对氧原子共轭效应的影响，使得环氧树脂/固化剂交联分子整体上的电子陷阱深度大幅降低，整体上的空穴陷阱深度未显著变化，从而有希望提高由其组成的环氧树脂材料在高电场下的表面电导率。此外，整体上的电子陷阱深度的大幅降低加速了体内电荷向表面的消散，这改善了体内电荷积聚，从而提高了环氧树脂材料的交流击穿场强。 含有可水解氯的交联分子发生水解后，整体上电荷陷阱深度的大幅增加使得环氧树脂材料的电阻率升高，水分子塑化作用产生的微裂纹使得环氧树脂材料的电阻率降低。在环氧树脂材料的湿热老化过程中，这两种作用相互竞争。此外，含有可水解氯的交联分子的低空穴注入势垒使得正同质电荷能够从阳极注入到环氧树脂材料中。水解后交联分子的空穴陷阱深度小幅度降低，导致空穴在湿热老化后的环氧树脂材料中更容易迁移。
NETL