哈尔滨理工大学孟兆通、张天栋 等：电气绝缘用非线性电导材料研究进展

阅读提示：本文约 1500 字

具有非线性电导特性的聚合物材料被广泛应用于解决电场集中问题，例如用来实现电缆附件绝缘、高压旋转电机定子绝缘及大功率绝缘栅双极晶体管等部件的电应力控制等。本文对电场调控绝缘材料的最新发进行了全面综述，以期对读者的研究产生启发式的思想。

研究背景

高压系统用绝缘器件的电场控制已被广泛关注，工程上致力于实现在固定系统电压下获得尽可能低的电场强度，并且尽可能实现电场均匀分布,具有非线性电导特性的聚合物材料现已被广泛用于解决电缆、电机及电力电子等领域的电场集中问题。

图1 非线性电导复合材料调控电场研究

(a) SiC/SiR空间电荷分布 (b) ZnO/SiR表面电荷分布 (c) 改性IGBT结构电场分布云图 (d) 改性GIS电场分布云图 (e) 改性电缆附件电场分布云图

论文所解决的问题及意义

该文从几何应力控制及非线性应力控制两方面介绍了电气元器件应用中均化电场的方式，详细地介绍了氧化锌与碳化硅等无机导电颗粒的非线性电导特性及其聚合物基复合材料的非线性电导形成机制。

基于渗流理论及界面传导等理论阐述了掺杂填料含量对非线性电导特性的影响规律，以掺杂填料接触电阻大小、接触界面数目、晶界数量等方面为切入点，总结了填料形貌、尺寸对非线性电导复合材料载流子传输的影响机制。介绍了多维度填料共掺及填料表面改性在非线性电导材料领域的应用及性能调控机制，并且概括了非线性电导材料在高压应用中调控电场的研究成果。

文中也指出改性复合材料往往具有复杂的结构，在很多情况下有应用限制，且载流子的传输机制尚未统一，仍需进行更深入的研究。

论文方法及创新点

本文详细介绍了电气器件在电应力作用下的应用缺陷，从几何应力控制及非线性应力控制两方面介绍了电气器件应用中均化电场的方式，内容完备且科普性强。概括介绍了无机填料含量、形貌、尺寸、多维度共掺及表面改性等因素对非线性电导材料电学性能的影响机制，影响因素介绍较为全面，较好地总结了影响机理，可为后续研究者提供一定的研究思路。

阐述了非线性电导材料在高压应用中调控电场的研究成果，并指出非线性电导材料作用机制研究的不足及现有应用的局限性，为读者介绍了相关研究需要深入考虑的因素，指明了一定的方向。

结论

复合材料中填料含量对非线性传导渗流路径的形成、载流子的注入及填料与基体的界面效应均会产生一定的影响，从而影响复合材料非线性电导特性形成的难易程度；填料形貌的影响主要依赖于填料间接触电阻的大小，填料尺寸主要影响载流子传导路径形成的概率，且也与界面电阻相关，而晶粒尺寸的影响则可以通过填料接触界面的数量来影响接触电压。

填料共掺主要调控导电网络结构形成的难易程度，且引入金属元素可以使载流子数目剧增；填料表面可提高填料于基体中的分散性，进而增强聚合物与填料之间的相互作用，但填料分散性对于复合材料非线性电学特性的影响仍没有较为统一的认知；非线性电导材料能够有效调控IGBT、GIS及电缆附件等部件的电场分布，为电气用绝缘器件的安全运行提供保障。

团队介绍

迟庆国教授牵头团队现有教师10人，硕博研究生近100人，团队依托哈尔滨理工大学高电压与绝缘技术国家重点学科与“电介质工程”省部共建国家重点实验室培育基地，主要致力于能源储存用电介质结构设计及其器件开发、面向复杂工况应用的典型电力电子器件封装绝缘及其应用、高压直流绝缘结构电场分布调控技术研究等领域开展研究工作。

本工作成果发表在2023年第21期《电工技术学报》，论文标题为“电气绝缘用非线性电导材料研究进展”。本课题得到国家自然科学基金项目和黑龙江省自然科学基金项目的支持。

引用本文

孟兆通, 张天栋, 张昌海, 迟庆国. 电气绝缘用非线性电导材料研究进展[J]. 电工技术学报, 2023, 38(21): 5691-5711. Meng Zhaotong, Zhang Tiandong, Zhang Changhai, Chi Qingguo. Research Progress of Nonlinear Conductive Materials for Electrical Insulation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(21): 5691-5711.

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