CN115889141A - 一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法 - Google Patents

一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115889141A
CN115889141A CN202210908116.XA CN202210908116A CN115889141A CN 115889141 A CN115889141 A CN 115889141A CN 202210908116 A CN202210908116 A CN 202210908116A CN 115889141 A CN115889141 A CN 115889141A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
insulator
dimensional material
coating
dispersion liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210908116.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN115889141B (zh
Inventor
郭宇铮
李莉
蒯春光
王俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN202210908116.XA priority Critical patent/CN115889141B/zh
Publication of CN115889141A publication Critical patent/CN115889141A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115889141B publication Critical patent/CN115889141B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

本发明提供一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法。采用清洗剂对金属/绝缘体材料进行超声清洗,得到表面干净的金属/绝缘体材料,之后将二维材料利用超声均匀分散于溶剂中获得一定浓度的分散液,然后将分散液均匀涂覆在金属/绝缘体材料表面,自然晾干获得二维材料表面修饰的金属/绝缘体材料。二维材料分散液仅需简单的涂覆方法即可以得到附着力强的稳定涂层。表面修饰后的金属/绝缘体材料表面形成一层致密屏蔽层,削弱材料表面的局部电场来抑制电荷注入,并且表面电荷快速沿面迁移而无法积累并存储在薄层中,使得材料表面电荷积聚较少而且消散较快,极大提升了材料的绝缘电压,在电力电子领域具有极大的应用潜力。

Description

一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法
技术领域
本发明属于电子、电气技术领域,特别涉及一种利用二维材料提高金属/绝缘体绝缘性能的方法。
背景技术
随着超高压、特高压技术的大力发展和建设,电压等级大幅提高,输变电网络中电缆长度、高压电气设备数量都随之迅速增加。目前高压/超高压电缆主要是高分子绝缘材料,但是在现有的电缆制备过程中,绝缘层可能会产生大量的局部态,并由此积累大量的空间电荷,使绝缘层的部分电场发生畸变,可能导致绝缘材料内部电场增加十几倍,使绝缘材料发生击穿;或者是电荷在局部态入陷/脱陷过程中会释放大量能量,致使介质材料局部发生破坏,产生局部击穿等现象,影响介质的介电强度,进而导致绝缘材料击穿。气体绝缘电气设备(GIS、GIL等)中的高压导杆仍主要采用金属裸电极,在强电场和表面粗糙效应叠加作用下可能发生场致发射,降低间隙击穿强度,威胁设备绝缘可靠性。面向电网建设可靠性需求,有必要研究金属/绝缘体的绝缘提升技术。
表面改性技术改变金属/绝缘材料表面化学特性及物理形貌能够抑制表面电荷积聚现象,进而提升金属/绝缘材料的耐击穿特性,已在交联聚乙烯绝缘电缆击穿电压、GIL金属微粒抑制、断路器触头以及晶体器件性能提升等方面得到广泛研究。目前常利用激光刻蚀、高真空磁控溅射法或等离子体处理等方法对金属/绝缘体材料表面改性,通过影响材料表面基团、表面粗糙度、表面电导率、陷阱能级分布和闪络电压等性质来提升材料的绝缘性能。但是以上方法存在尾气处理复杂,设备造价昂贵等缺陷,不利于大规模工业生产的推广。
二维材料不仅具有独特的晶体结构和物理化学性能,而且种类繁多,其中最具代表性的是石墨烯及过渡金属碳/氮化物材料。基于二维材料高比表面积、超薄厚度等独特性能,仅需简单的涂覆方法即可以得到附着力强的稳定涂层。因此,利用二维材料改性材料表面是未来研究的发展趋势。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明所要解决的问题是,提供一种有效提高金属/绝缘体材料绝缘性能的简便方法,方法普适性强,耐击穿性能及电学性能优异,适合大规模工业应用。
本发明所提供的二维材料改性技术是直接将二维材料分散液涂覆在金属/绝缘体基底上(如图1所示)。所选用的二维材料包括但不限于MXene,石墨烯,BN,MoS2
本发明提供的表面覆膜技术加速了表面电荷沿材料表面迁徙过程,加快了表面电荷衰减速度。由于薄膜在材料表面形成屏蔽层,削弱材料表面的局部电场来抑制电荷注入,并且表面电荷快速沿面迁移而无法积累并存储在薄膜中。因此改性后样品的表面电荷积聚较少而且消散较快,对于提升绝缘性能具有重要意义。
本发明提供的技术方案如下:
一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法,包括以下步骤:
(1)首先采用清洗剂对金属/绝缘体材料进行超声清洗,清洗后的材料自然晾干备用;
(2)将具有大纵横比的二维材料利用超声辅助手段均匀分散于溶剂中获得一定浓度的纳米片分散液;
(3)将分散液均匀涂覆于金属/绝缘体材料所有表面保证全覆盖,干燥后获得二维材料表面修饰的金属/绝缘体材料。
进一步,所述步骤(1)中,清洗剂包括去离子水、盐酸、氢氧化钠溶液、甲醇、乙醇、丙酮、乙腈、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种的组合。
进一步,所述步骤(1)中,超声处理时间为0.5-3小时。
进一步,所述步骤(2)中,所述二维材料包括但不限于MXene,石墨烯,BN,MoS2
更进一步,所述步骤(2)中,MXene包括但不限于Ti3C2、Ti2C、Ti3CN、V4C3、V2C、Nb4C3、Nb2C、Mo2C、Mo1.33C、Mo2Ti2C3、Mo2TiC、W1.33C。
进一步,所述步骤(2)中,所述溶剂根据二维材料的分散特性选择。
更进一步,所述步骤(2)中,溶剂选自去离子水、表面活性剂(SDBS、CTAB、Triton-X、Tween 80)分散液、甲醇、乙醇、丙酮、乙腈、四氢呋喃或N,N-二甲基甲酰胺。
进一步,所述步骤(2)中,超声处理时间为0.5-10小时。
进一步,所述步骤(2)中,所述分散液静置三天以上不聚沉。
进一步,所述步骤(2)中,所述分散液的浓度为0.05-10mg/ml。
进一步,所述步骤(3)中,涂覆方式包括滴涂、喷涂和旋涂。
本发明的有益效果如下:
本发明基于二维材料高比表面积、超薄厚度、大纵横比等独特性能,仅需简单的涂覆方法即可以得到附着力强的稳定涂层。金属/绝缘体材料表面修饰的均匀二维材料薄层在表面形成一层致密屏蔽层,削弱材料表面的局部电场来抑制电荷注入,并且表面电荷快速沿面迁移而无法积累并存储在薄层中,使得材料表面电荷积聚较少而且消散较快,极大提升了材料的击穿电压。本发明提供的方法在电力电子领域具有极大的应用潜力。
附图说明
图1为二维材料修饰金属/半导体材料表面示意图。
图2为工频击穿装置结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细描述,但是本发明的保护范围不仅限于下列实施例。
实施例1
一、制备表面涂覆二维材料的金属片
(1)选取直径为2cm的金属铝片作为研究对象探究二维材料涂层对其击穿性能的影响。将铜片放置于20ml丙酮溶剂中,超声处理0.5小时,清洗两次,自然晾干备用。
(3)称取50mg少层二维Ti3C2纳米片分散于100ml乙腈溶剂中去,超声2小时,获得均匀的,稳定的分散液。利用直径为0.3mm喷枪将1ml分散液均匀喷涂在直径为2cm的金属铜片上面,干燥之后备用。
二、性能测试
将处理好的金属薄片统一放置在针板电极接地一侧,控制板间距离为5mm,固定电极。确认电极连接正确并且接地良好后,关闭试验腔体,将腔体抽真空,抽气速率6L/s,极限真空度0.1Pa。然后充入少量SF6重复进行3遍洗气,以消除腔体内的空气杂质。洗气完成后,向装置中缓慢充入SF6气体,直至绝对气压为0.4MPa并保持稳定(实验装置如图2)。
充气完成后对电极在室温下进行工频击穿试验,在试品上施加电压并连续上升,直到试品上发生破坏性放电,并记录破坏性放电发生瞬间的试验电压值,该试验需要重复5次,以得到一组5个测量电压。
0.4MPa的SF6气体工频击穿试验完成后,以0.1MPa为梯度,从高到低依次调整SF6气压至最低0.2MPa,在每个气压等级下均进行工频击穿试验。待金属片试验完成后,将腔体抽真空,再充入空气至腔体内外气压一致,取出电极。
Ti3C2纳米片在Al片的表面形成一层薄膜屏蔽层,击穿试验发现Ti3C2纳米片修饰的Al片击穿电压较未修饰Al片的击穿电压提升12%。主要是二维材料形成的屏蔽层会削弱Al表面局部电场抑制电荷注入,使得表面电荷快速迁移,电荷聚集较少进而提升Al片的击穿电压。
实施例2
制备表面涂覆二维材料的金属片
(1)选取直径为2cm的金属铜片作为研究对象探究二维材料涂层对其击穿性能的影响。将铜片放置于20ml丙酮溶剂中,超声处理0.5小时,清洗两次,自然晾干备用。
(3)称取50mg少层二维石墨烯纳米片分散于100ml CTAB分散液中去,超声2小时,获得均匀的,稳定的分散液。利用喷涂机将1ml分散液均匀喷涂在直径为2cm的金属铜片上面即得。
实施例3
制备表面涂覆二维材料的金属片
(1)选取直径为2cm的金属铜片作为研究对象探究二维材料涂层对其击穿性能的影响。将铜片放置于20ml丙酮溶剂中,超声处理0.5小时,清洗两次,自然晾干备用。
(3)称取50mg少层二维Nb2C纳米片分散于100ml去离子水中去,超声2小时,获得均匀的,稳定的分散液。利用旋涂机将1ml分散液均匀旋涂在直径为2cm的金属铜片上面即得。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明保护的范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改,等同替换和改进等,均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)首先采用清洗剂对金属/绝缘体材料进行超声清洗,清洗后的材料自然晾干备用;
(2)将具有大纵横比的二维材料利用超声辅助手段均匀分散于溶剂中获得一定浓度的纳米片分散液;
(3)将分散液均匀涂覆于金属/绝缘体材料所有表面,干燥后获得二维材料表面修饰的金属/绝缘体材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,清洗剂包括去离子水、盐酸、氢氧化钠溶液、甲醇、乙醇、丙酮、乙腈、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,超声处理时间为0.5-3小时。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述二维材料包括MXene、石墨烯、BN和MoS2
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述MXene包括Ti3C2、Ti2C、Ti3CN、V4C3、V2C、Nb4C3、Nb2C、Mo2C、Mo1.33C、Mo2Ti2C3、Mo2TiC和W1.33C。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述溶剂根据二维材料的分散特性选择。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述溶剂选自去离子水、表面活性剂分散液或有机溶剂。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述分散液静置三天以上不聚沉。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述分散液的浓度为0.05-10mg/ml。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(3)中,涂覆方式包括滴涂、喷涂和旋涂。
CN202210908116.XA 2022-07-29 2022-07-29 一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法 Active CN115889141B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210908116.XA CN115889141B (zh) 2022-07-29 2022-07-29 一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210908116.XA CN115889141B (zh) 2022-07-29 2022-07-29 一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115889141A true CN115889141A (zh) 2023-04-04
CN115889141B CN115889141B (zh) 2024-03-29

Family

ID=86479312

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210908116.XA Active CN115889141B (zh) 2022-07-29 2022-07-29 一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115889141B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160276056A1 (en) * 2013-06-28 2016-09-22 Graphene 3D Lab Inc. Dispersions for nanoplatelets of graphene-like materials and methods for preparing and using same
CN107641424A (zh) * 2017-10-19 2018-01-30 中国航发北京航空材料研究院 一种氮化硼纳米片增强导热绝缘水性涂料及其制备和使用方法
CN109417863A (zh) * 2016-04-22 2019-03-01 德雷塞尔大学 用于emi屏蔽的二维金属碳化物、氮化物和碳氮化物膜和复合物
CN110064575A (zh) * 2019-04-25 2019-07-30 国家纳米科学中心 一种二维材料固体润滑薄膜及其制备方法
CN110098326A (zh) * 2019-05-28 2019-08-06 湖北大学 一种二维Ti3C2-MXene薄膜材料及其制备方法和在阻变存储器中的应用
CN110452497A (zh) * 2019-09-12 2019-11-15 清华大学 一种绝缘材料及其制备方法
CN110498964A (zh) * 2019-09-25 2019-11-26 上海交通大学 一种高压电缆热塑性半导电屏蔽材料及其制备方法
US20190371925A1 (en) * 2018-05-29 2019-12-05 International Business Machines Corporation Increased source and drain contact edge width in two-dimensional material field effect transistors by directed self-assembly
CN111472033A (zh) * 2020-04-22 2020-07-31 哈尔滨工业大学 一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法
CN111537098A (zh) * 2020-04-08 2020-08-14 中山大学 柔性电容式温度传感器及其制作方法
CN113772732A (zh) * 2021-09-26 2021-12-10 江南大学 一种利用deet剥离制备二维材料纳米片的方法
CN114074927A (zh) * 2020-08-18 2022-02-22 清华大学深圳国际研究生院 一种二维材料及其制备方法和复合膜

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160276056A1 (en) * 2013-06-28 2016-09-22 Graphene 3D Lab Inc. Dispersions for nanoplatelets of graphene-like materials and methods for preparing and using same
CN109417863A (zh) * 2016-04-22 2019-03-01 德雷塞尔大学 用于emi屏蔽的二维金属碳化物、氮化物和碳氮化物膜和复合物
CN107641424A (zh) * 2017-10-19 2018-01-30 中国航发北京航空材料研究院 一种氮化硼纳米片增强导热绝缘水性涂料及其制备和使用方法
US20190371925A1 (en) * 2018-05-29 2019-12-05 International Business Machines Corporation Increased source and drain contact edge width in two-dimensional material field effect transistors by directed self-assembly
CN110064575A (zh) * 2019-04-25 2019-07-30 国家纳米科学中心 一种二维材料固体润滑薄膜及其制备方法
CN110098326A (zh) * 2019-05-28 2019-08-06 湖北大学 一种二维Ti3C2-MXene薄膜材料及其制备方法和在阻变存储器中的应用
CN110452497A (zh) * 2019-09-12 2019-11-15 清华大学 一种绝缘材料及其制备方法
CN110498964A (zh) * 2019-09-25 2019-11-26 上海交通大学 一种高压电缆热塑性半导电屏蔽材料及其制备方法
CN111537098A (zh) * 2020-04-08 2020-08-14 中山大学 柔性电容式温度传感器及其制作方法
CN111472033A (zh) * 2020-04-22 2020-07-31 哈尔滨工业大学 一种具有复合涂层的MXene增强铝合金导线及其制备方法
CN114074927A (zh) * 2020-08-18 2022-02-22 清华大学深圳国际研究生院 一种二维材料及其制备方法和复合膜
CN113772732A (zh) * 2021-09-26 2021-12-10 江南大学 一种利用deet剥离制备二维材料纳米片的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115889141B (zh) 2024-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xue et al. Effects of surface roughness on surface charge accumulation characteristics and surface flashover performance of alumina-filled epoxy resin spacers
Du et al. Epoxy insulator with surface graded-permittivity by magnetron sputtering for gas-insulated line
Zhu et al. Review of interface tailoring techniques and applications to improve insulation performance
Yu et al. Depositing chromium oxide film on alumina ceramics enhances the surface flashover performance in vacuum via PECVD
Yang et al. Ultralow secondary electron emission and improved vacuum surface insulation of polyimide with scalable nanocomposite coating
Pan et al. Influence of SiC/epoxy coating on surface charging phenomenon at DC voltage—Part I: Charge accumulation
Li et al. Understanding Effects of Deep Traps on DC Surface Flashover Characteristics of Epoxy/MWCNTs-TiO 2 Nanocomposites in a Vacuum
CN115889141B (zh) 一种利用二维材料提升金属/绝缘体绝缘性能的方法
An et al. DC flashover performance of GIS spacers fluorinated at different temperatures
Shao et al. A novel nonlinear conductive ZnO micro-varistor/epoxy resin composite film for metallic particle deactivation in DC GIL
Huang et al. Surface flashover performance of epoxy resin microcomposites infulenced by ozone treatment
Fang et al. Investigations of surface charging of DC insulator spacers
Wang et al. The improvement of flashover characteristics with field grading CCTO coating for GIL spacer
CN100561610C (zh) 一种提高真空绝缘介质沿面闪络电压的方法
Pan et al. Dynamic behavior of surface potential on insulator under SiC/epoxy coatings
Zheng et al. Temperature effect on space charge dynamics in LDPE/MgO nanocomposite under DC stress
Yin et al. Surface Electrical Performance of Polytetrafluoroethylene and Epoxy Resin under Arc Ablation
Zhang et al. Atmosphere dependence of DC surface flashover voltage of insulators
Teyssedre et al. Advances in interface charge tailoring techniques: Fundamentals and applications
Li et al. Enhanced Surface Insulation Strength of Modified Polyimide Under High-Frequency Electric Stress by Fabricating the Al 2 O 3/PI Composite Coating
Yu et al. Effect of mineral oil on flashover voltage of HTV silicone rubber under AC corona ageing: from the view of trap level distribution
Wang et al. Impulse and DC surface flashover of LDPE/TiO 2 nanocomposites in vacuum
Xing et al. Study on DC breakdown characteristics of epoxy insulating materials
Zhao et al. Regulation of Surface Charge Accumulation on Epoxy Insulator by Flexible Coating under DC Voltage
Liu et al. Breakdown Strength and Energy Density Improvement of Polypropylene by Parylene Deposition for Film Capacitor

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant