先進(jìn)納米電介質(zhì)：基礎(chǔ)和應(yīng)用

第1 章　緒論：聚合物納米復(fù)合材料的魅力  1
1.1 添加少量填料的納米復(fù)合材料  1
1.1.1 球形納米填料復(fù)合材料的制備方法 2
1.1.2 層狀納米填料復(fù)合材料的制備方法 2
1.2 納米復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用 . 3
1.3 納米復(fù)合材料優(yōu)異的介電與絕緣性能  3
1.4 微納米復(fù)合材料耐電強(qiáng)度與其他工程性能的平衡  5
1.4.1 熱膨脹系數(shù)和耐電強(qiáng)度 5
1.4.2 熱導(dǎo)率和耐電強(qiáng)度 6
1.5 納米復(fù)合材料中界面的主導(dǎo)作用 . 6
1.6 納米復(fù)合材料源于納米技術(shù)和膠體科學(xué)  7
1.6.1 納米技術(shù)的概念 7
1.6.2 膠體科學(xué)闡述的界面概念 7
1.6.3 復(fù)合材料技術(shù)沿革 8
1.6.4 聚合物納米復(fù)合材料的誕生 8
1.7 納米復(fù)合材料的光明前景 . 9
第2 章 電氣和電子領(lǐng)域潛在的應(yīng)用  11
2.1 電力設(shè)備和電纜  11
2.1.1 SF6 氣體既有優(yōu)異的性能又會(huì)造成溫室效應(yīng) . 11
2.1.2 使用無(wú)溫室效應(yīng)氣體開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型電力設(shè)備 12
2.1.3 電力設(shè)備用納米復(fù)合絕緣材料研發(fā) 14
2.2 電機(jī)繞組用高性能、長(zhǎng)壽命電磁線 . 21
2.2.1 變頻脈沖下局部放電誘發(fā)的電機(jī)絕緣擊穿 21
2.2.2 多因素決定逆變器脈沖局部放電起始電壓 22
2.2.3 納米復(fù)合電磁線的介電性能取決于納米填料的分散狀態(tài) 25
2.2.4 納米復(fù)合材料極大提高逆變器耐受脈沖壽命 27
2.2.5 納米填料抑制電磁線局部放電老化的機(jī)理 28
2.2.6 耐浪涌納米復(fù)合電磁線在電機(jī)產(chǎn)品中的應(yīng)用與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定 29
2.3 戶外聚合物絕緣子  31
2.3.1 聚合物絕緣子的輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu) 31
2.3.2 聚合物絕緣子應(yīng)具備的性能 32
2.3.3 采用納米復(fù)合材料提高耐侵蝕性 33
2.3.4　添加納米填料可增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度 34
2.3.5 納米復(fù)合絕緣子的技術(shù)展望 36
2.4 電子器件用高密度組件 . 39
2.4.1　輕質(zhì)、復(fù)合結(jié)構(gòu)聚合物絕緣 39
2.4.2　納米復(fù)合材料作為電子元器件封裝樹(shù)脂的有效性 40
2.4.3　電子設(shè)備絕緣襯底用高熱耗散、高熱導(dǎo)率微納米復(fù)合材料 46
第3 章　介電性能和其他工程性能的兼容性  52
3.1 高熱導(dǎo)率高耐電強(qiáng)度復(fù)合材料  52
3.1.1 激光閃射法測(cè)量熱導(dǎo)率 52
3.1.2 通過(guò)填充微米填料提高聚合物熱導(dǎo)率 53
3.1.3 通過(guò)改進(jìn)界面進(jìn)一步提高熱導(dǎo)率 55
3.1.4　填充微米填料降低耐電強(qiáng)度 56
3.1.5　相容性配方：納米填料和微米填料的巧妙配合 56
3.1.6 具有高熱導(dǎo)率和高耐電強(qiáng)度的復(fù)合材料 58
3.2 低熱膨脹系數(shù)高耐電強(qiáng)度復(fù)合材料 . 60
3.2.1 熱膨脹系數(shù)是澆注制品重要的材料性能參數(shù) 60
3.2.2　使用納米復(fù)合材料可以降低熱膨脹系數(shù)、提高耐電強(qiáng)度 61
3.2.3　 混合添加微米、納米填料實(shí)現(xiàn)更低的熱膨脹系數(shù)和更高的耐電強(qiáng)度 63
3.3 高磁導(dǎo)率和高介電常數(shù)復(fù)合材料 . 66
3.3.1　磁性介質(zhì)的用途 66
3.3.2　可用的磁化介質(zhì) 66
3.3.3　一個(gè)正在研究的例子 67
3.4 高耐熱復(fù)合材料  71
3.4.1 利用納米復(fù)合材料制備高耐熱復(fù)合材料的研究進(jìn)展 71
3.4.2 耐熱性隨納米填料分散方法的不同而改變 73
3.4.3　耐熱性復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用 73
3.5　高介電常數(shù)、低介電常數(shù)復(fù)合材料 . 77
3.5.1　為什么需要高介電常數(shù)、低介電常數(shù)復(fù)合材料 77
3.5.2　添加高介電常數(shù)納米填料能否提高介電常數(shù) 79
3.5.3 添加低介電常數(shù)納米填料以降低介電常數(shù) 81
第4 章　聚合物納米復(fù)合材料的制備  85
4.1　反應(yīng)沉淀法：溶膠­ 凝膠法  85
4.1.1　 溶膠­ 凝膠法能夠很好地實(shí)現(xiàn)納米填料在聚合物中的分散 . 85
4.1.2　溶膠­ 凝膠法的制備方法和注意點(diǎn) . 85
4.1.3　哪些機(jī)理使聚合物納米復(fù)合材料產(chǎn)生不同的特性 87
4.1.4　溶膠­ 凝膠法制備的復(fù)合材料在日常生活中的應(yīng)用 . 89
4.2　類球形填料的分散技術(shù)（熱塑性和熱固性樹(shù)脂）  90
4.2.1　所用的類球形納米填料是超精細(xì)的 90
4.2.2　各種樹(shù)脂用于制備聚合物納米復(fù)合材料 91
4.2.3　 通過(guò)分散類球形納米填料到聚合物中制備聚合物納米復(fù)合物 91
4.2.4 納米填料粒徑的控制是制備性能優(yōu)異的納米復(fù)合材料的關(guān)鍵 94
4.3 層狀結(jié)構(gòu)填料的反應(yīng)共混方法  95
4.3.1　層狀結(jié)構(gòu)填料的單層厚度是1nm  95
4.3.2　有機(jī)化合物可以被帶入到相鄰層之間 96
4.3.3 層狀結(jié)構(gòu)填料的剝離和分散 98
4.3.4　納米填料的分散狀態(tài)受到多種因素影響 98
4.3.5　已開(kāi)發(fā)的各種均勻分散技術(shù) 101
4.4 納米填料表面改性有助于填料均勻分散  104
4.4.1　表面改性的重要性 104
4.4.2　表面改性的幾種可行方法 105
4.4.3　使用納米填料表面改性大填料顆粒 108
第5 章　納米復(fù)合技術(shù)極大提高了材料的介電性能 . 111
5.1　介電常數(shù)和介質(zhì)損耗：介電譜  111
5.1.1 用溫度介電譜和頻率介電譜評(píng)價(jià)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗 111
5.1.2 微米復(fù)合材料的介電常數(shù)由組成比決定 113
5.1.3 納米填料的添加影響介電常數(shù)的高低 115
5.1.4 介電常數(shù)的反常下降引起極大關(guān)注 117
5.1.5　納米填料如何影響復(fù)合材料的介電常數(shù) 118
5.2 低電場(chǎng)電導(dǎo) . 120
5.2.1 電導(dǎo)率是電氣絕緣最重要的參數(shù)之一 120
5.2.2　在某些情況下納米填料的加入導(dǎo)致電導(dǎo)率增大 122
5.2.3 在某些情況下納米填料的加入導(dǎo)致電導(dǎo)率減小 123
5.3 高電場(chǎng)和空間電荷積聚下的傳導(dǎo)電流  127
5.3.1　擊穿是否不可預(yù)知 127
5.3.2　空間電荷積聚是否預(yù)示著劣化或者電擊穿 129
5.3.3 即使在高直流電場(chǎng)下加入納米填料也能顯著抑制空間電荷積聚 131
5.3.4　為什么納米填料的加入能夠抑制空間電荷的注入 133
5.4 短時(shí)擊穿特性 . 136
5.4.1 短時(shí)擊穿特性測(cè)量方法 136
5.4.2 短時(shí)擊穿物理機(jī)制及其解釋 139
5.4.3 納米復(fù)合絕緣子的短時(shí)擊穿特性如何變化 140
5.4.4 填料狀態(tài)對(duì)改善短時(shí)擊穿特性的重要性 140
5.5　長(zhǎng)時(shí)介質(zhì)擊穿（樹(shù)枝擊穿）  143
5.5.1　基于電樹(shù)枝形狀和V­t 特性評(píng)價(jià)聚合物的樹(shù)枝化擊穿  143
5.5.2 納米填料的添加極大延長(zhǎng)了樹(shù)枝化擊穿壽命 145
5.5.3　納米填料在樹(shù)枝生長(zhǎng)起始階段起什么作用 146
5.5.4　一個(gè)交叉現(xiàn)象的出現(xiàn)：電樹(shù)枝生長(zhǎng)與電壓的關(guān)系 147
5.5.5　納米填料怎么作用于電樹(shù)枝生長(zhǎng)過(guò)程 148
5.6 局部放電導(dǎo)致材料的劣化 . 149
5.6.1　基于侵蝕現(xiàn)象評(píng)價(jià)聚合物的耐局部放電特性 149
5.6.2 納米填料的添加極大提高了聚合物的耐局部放電特性 151
5.6.3　納米復(fù)合材料局部放電侵蝕的機(jī)理 153
5.7　絕緣劣化（水樹(shù)枝導(dǎo)致材料的劣化）  155
5.7.1　聚合物在水和電場(chǎng)協(xié)同作用下產(chǎn)生水樹(shù)枝 155
5.7.2 納米填料的添加抑制水樹(shù)枝的生長(zhǎng) 157
5.7.3　納米填料在抑制水樹(shù)枝方面的作用 157
5.8　絕緣劣化（由電痕導(dǎo)致的材料劣化）  161
5.8.1　絕緣子表面污染將導(dǎo)致電痕的發(fā)生 161
5.8.2 斜面試驗(yàn)和電弧試驗(yàn)是評(píng)估絕緣子電痕和耐侵蝕的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法 161
5.8.3 納米填料的添加極大提高了耐電痕和侵蝕的能力 162
5.8.4 耐熱性的提高將導(dǎo)致耐電痕和侵蝕性的提高 164
5.9 電化學(xué)遷移導(dǎo)致材料的劣化  166
5.9.1　測(cè)試電遷移的原因 166
5.9.2　電遷移是怎樣的現(xiàn)象 166
5.9.3 多種電遷移的可靠性測(cè)試方法 168
5.9.4 空間電荷分布測(cè)量可用于評(píng)價(jià)電遷移 169
5.9.5　納米復(fù)合材料有望抑制電遷移 170
第6 章　納米復(fù)合絕緣材料的熱學(xué)和力學(xué)性能 . 174
6.1　熱學(xué)性能  174
6.1.1　熱學(xué)特性包括熱學(xué)性能、熱學(xué)性質(zhì)和耐熱性 174
6.1.2　通過(guò)納米填料調(diào)控環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱學(xué)特性 175
6.1.3　幾種典型聚合物在添加納米填料后熱學(xué)特性的改變 178
6.1.4　納米填料與聚合物的界面可以改變聚合物的熱學(xué)特性 180
6.2　力學(xué)性能  181
6.2.1 改善力學(xué)性能的聚合物復(fù)合材料在日常生活中的應(yīng)用 181
6.2.2　按應(yīng)力作用時(shí)間分類的各種力學(xué)性能 183
6.2.3　添加納米填料提高拉伸強(qiáng)度 184
6.2.4　添加納米填料提高彎曲特性 186
6.2.5　納米填料抑制裂痕擴(kuò)散 187
6.2.6　納米復(fù)合材料的其他力學(xué)性能 188
6.3 長(zhǎng)期特性  191
6.3.1 通過(guò)納米復(fù)合改善聚合物的耐熱性 191
6.3.2 通過(guò)納米復(fù)合改善聚合物的耐疲勞性 193
第7 章　聚合物納米填料界面結(jié)構(gòu) . 197
7.1　界面有體積 . 197
7.1.1　界面是什么 197
7.1.2　無(wú)機(jī)填料和有機(jī)聚合物間界面的特征 197
7.1.3　多種界面模型的提出 199
7.2　界面的物理化學(xué)分析方法 . 203
7.2.1　填料的形狀、尺寸和分散性可用SEM 和TEM 評(píng)價(jià)  203
7.2.2 填料的含量可用測(cè)量納米復(fù)合材料密度來(lái)評(píng)估 205
7.2.3　填料間距在宏觀和微觀尺度下的評(píng)估 205
7.2.4　研究有機(jī)和無(wú)機(jī)鍵合態(tài)的一些方法 207
第8 章　 聚合物納米復(fù)合材料可視化的計(jì)算機(jī)模擬方法：
闡明提高納米復(fù)合材料性能的機(jī)理. 211
8.1　非經(jīng)驗(yàn)（從頭算）分子軌道方法 . 211
8.1.1 納米復(fù)合材料的計(jì)算機(jī)模擬研究剛剛起步 211
8.1.2 什么是從頭算方法 211
8.1.3 用從頭算方法能得到什么 212
8.1.4 從頭算方法應(yīng)用到大尺度體系面臨的挑戰(zhàn) 214
8.2 用粗?；肿觿?dòng)力學(xué)方法模擬納米復(fù)合材料的性能  215
8.2.1 什么是分子動(dòng)力學(xué) 215
8.2.2 粗?；肿觿?dòng)力學(xué)的應(yīng)用實(shí)例 219
第9 章　結(jié)語(yǔ)：關(guān)注環(huán)境與展望未來(lái)  224
9.1 關(guān)于納米填料處理的必要認(rèn)知  224
9.1.1 納米填料對(duì)人體和環(huán)境的影響 224
9.1.2 納米填料風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)展 224
9.1.3 納米填料的處理指南 227
9.2 未來(lái)展望  228
9.2.1 國(guó)際關(guān)注度逐年上升 228
9.2.2 納米復(fù)合絕緣材料的實(shí)用化探索 230
9.2.3 打開(kāi)未來(lái)聚合物納米復(fù)合材料的大門 232