CN110229469B - 介电梯度材料及其应用 - Google Patents

Abstract

一种介电梯度材料包括基体材料及填料颗粒，填料颗粒分散于基体材料中，填料颗粒至少包含一种相对介电常数大于40的磁性材料；介电梯度材料包括第一区域、第二区域以及位于所述第一区域及第二区域之间的第三区域，填料颗粒在所述第一区域中呈链状排列，填料颗粒在第二区域中呈无序分布，填料颗粒在所述第一区域中朝向第二区域呈链状排列，填料颗粒在第二区域中呈无序分布，所述填料颗粒在第三区域中呈有序到无序的过渡分布。本发明还提供一种介电梯度材料的应用。本发明所提供的介电梯度材料中的填料颗粒在第一区域呈链状排列，在第二区域呈无序分布，在第三区域呈有序到无序的过渡状态，从而构建相对介电常数具有梯度的介电梯度材料。

Description

介电梯度材料及其应用

技术领域

本发明涉及绝缘材料技术领域，尤其涉及一种介电梯度材料及其应用。

背景技术

随着电力系统向超/特高压、大容量输电方向发展，以及脉冲功率、高功率微波、高功率半导体器件等高新技术装备向高电压、小型化方向发展，对电气绝缘性能的要求日趋严苛，设备运行过程中由于绝缘系统，特别是固体绝缘故障造成的问题也日益突出。一般认为，电场的不均匀度较高(局部电场畸变)是导致绝缘击穿、沿面闪络的根本原因。在不同介质的分界面，如电极、绝缘和气体三结合点处，由于介电参数的急剧变化，使得电场分布不均匀，局部电场畸变严重，容易产生一次电子导致局部放电，一方面加剧绝缘材料老化，另一方面引发沿面闪络。

利用功能梯度材料(Functionally Graded Material，FGM)的理念，构建的介电参数非均匀分布的绝缘结构，在均化交流电场以及脉冲电场分布、提升绝缘系统的耐电性能以及简化绝缘结构等方面优势明显，应用潜力巨大。然而介电梯度材料制备方法的操作性、灵活性、效率和成本决定了介电梯度材料应用前景。

目前，现有的介电梯度材料制备方法包括了离心浇注法、叠层法、电泳法以及磁控溅射法。通过离心浇注法制得的材料梯度结构分布受制于离心过程的物理规律，难以满足绝缘设计的需求，其灵活性和可控性较差，难以在工业中大规模应用。叠层方制备的产品例如盘式及支柱介电梯度绝缘子，其相对介电常数随绝缘子半径或高度呈单调或U形变化，正极性雷电冲击电压下的沿面闪络强度提升了10％～25％；但叠层法无法实现一次一体成型，容易存在层间结合的缺陷，层与层之间的介电特性跳变与优化设计结果指向不符。利用电泳技术驱动带电粒子运动，实现颗粒物浓度的梯度变化，进而构建介电梯度材料。上述三种技术都是引入高相对介电常数的颗粒，并增大复合材料局部的颗粒物浓度来提高局部的相对介电常数。这类颗粒物无序分布时能够获得的最高相对介电常数受到限制，如果添加的体积分数较小，则复合材料的相对介电常数变化不大，优化电场的效果较弱；如果添加的体积分数过高，这会增大混合物的粘度，不利于浇注成型工艺。现还有一种制备方法利用磁控溅射法将靶材(二氧化钛和钛酸钡等)溅射到盆式绝缘子表面，通过控制不同区域的溅射时长，实现2D薄膜相对介电常数的梯度分布。然此技术实现的是2D的介电分布，对3D绝缘子的相对介电常数的影响有限，应用前景仍受到限制。

利用介电梯度材料均化电场并提高绝缘性能的有效性已经被众多研究所验证，然而通过离心浇注法、叠层法、电泳法以及磁控溅射法等手段，使颗粒在局部无序聚集，这种方法所获得的相对介电常数提升有限，无法提供极不均匀电场所需要的大梯度介电分布。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种大梯度介电分布的介电梯度材料。

另，还有必要提供一种所述介电梯度材料的应用。

一种介电梯度材料，所述介电梯度材料包括基体材料及填料颗粒，所述填料颗粒分散于所述基体材料中，所述填料颗粒至少包含一种相对介电常数大于40的磁性材料；所述介电梯度材料包括第一区域、第二区域以及位于所述第一区域及所述第二区域之间的第三区域，至少一种所述填料颗粒在所述第一区域中呈链状排列，所述填料颗粒在所述第二区域中呈无序分布，所述填料颗粒在所述第三区域中呈有序到无序的过渡分布。

进一步地，所述填料颗粒为所述磁性材料本身，或者为无机非磁性材料与磁性材料结合成的核壳材料，所述无机非磁性材料的相对介电常数大于或等于40。

进一步地，位于所述第二区域的所述介电梯度材料的相对介电常数是所述基体材料的1-5倍，位于所述第一区域的所述介电梯度材料的相对介电常数是位于第二区域的所述介电梯度材料的相对介电常数的1-50倍；位于所述第三区域的所述介电梯度材料的相对介电常数介于位于第一区域的所述介电梯度材料的相对介电常数和位于第二区域的所述介电梯度材料的相对介电常数之间。

进一步地，所述填料颗粒的密度呈梯度分布于所述基体材料中，位于所述第一区域的所述填料颗粒的密度大于或等于位于所述第二区域的所述填料颗粒的密度。

进一步地，所述基体材料包括热固性塑料、热塑性塑料以及橡胶中的至少一种。

进一步地，所述基体材料为环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯、硅橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶以及硫化硅橡胶中的至少一种。

进一步地，所述填料颗粒的粒径小于50μm。

进一步地，所述介电梯度材料中还包括促进剂、固化剂、消泡剂以及偶联剂中的一种或多种。

一种所述介电梯度材料在电力装备以及电子元器件中的应用。

进一步地，所述电力装备包括盆式绝缘子、支撑绝缘子、复合绝缘子以及复合套管，所述电子元器件包括绝缘栅双极型晶体管，所述介电梯度材料还作为绝缘涂层应用于所述电力装备及所述电子元器件上。

本发明所提供的介电梯度材料，包括基体材料及填料颗粒，其中填料颗粒在基体材料在部分区域呈链状的有序排列，在除所述部分区域外呈无序分布，同时在有序排列的区域的填料颗粒的密度大于或等于无序分布的区域，从而构建了相对介电常数以及填料密度都呈梯度分布的介电梯度材料；同时链状排列的方向与所述介电梯度材料实际应用中的电场方向一致，从而所述介电梯度材料能够较好的适用于高电场场强分布的环境中；所述介电梯度材料具有梯度范围大、应用范围广以及性能优越等特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于磁场诱导的介电梯度材料的制备方法流程图。

图2为本发明实施例的介电梯度材料根据不同模型计算的相对介电常数分布图。

图3为本发明提供的介电梯度材料的示意图。

图4为本发明具体实施例中施加磁场的圆盘形模具示意图。

图5A为本发明实施例施加磁场的截面磁感应强度矢量场图；

图5B为实施例中的磁感应强度梯度矢量场图；图5C为实施例所施加的磁场的三维磁感应强度云图的有限元计算结果图。

图6A、图6B及图6C是分别对实施例所制备的介电梯度材料在靠近内电极区域内在不同倍率下的光学显微镜测试图；图6D及图6E分别是所述介电梯度材料在距离所述内电极区域居中及远离所述内电极的区域的光学显微镜测试图。

图7为本发明实施例、对比例1及对比例2所制备的介电梯度材料的沿面闪络电压测试的结果图。

主要元件符号说明

原点	A
		圆环	B
第一区域	S<sub>1</sub>
		第二区域	S<sub>2</sub>
第三区域	S<sub>3</sub>

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。

在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

请参阅图1，为本发明实施例提供的一种基于磁场诱导的介电梯度材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：混合无机颗粒及液态有机物，得到一悬浊液，所述无机颗粒至少包含一种相对介电常数大于40的磁性材料；

步骤S2：对所述悬浊液施加磁场，在所述磁场的作用下，部分所述无机颗粒受到的磁场力大于所述部分无机颗粒在所述悬浊液中受到的粘滞阻力，以使所述部分无机颗粒沿磁场方向呈链状排列；

步骤S3：对施加所述磁场后的所述悬浊液进行固化处理，使所述悬浊液固化，得到所述介电梯度材料。

所述无机颗粒分散于液态有机物中，部分所述无机颗粒在磁场的作用下运动和/或转向或/和排列，从而达到在介电梯度材料应用时所处的电场环境相近的颗粒分布结构；通过固化处理得到介电梯度材料。其中，所述无机颗粒作为填料颗粒、所述液态有机物作为基体材料而形成所述介电梯度材料。

在步骤S1中，将所述无机颗粒置于液态有机物中，通过超声和/或机械搅拌等机械处理的方式，使所述无机颗粒更均匀的分散于所述液态有机物中，形成所述悬浊液。

所述磁性材料为能对磁场作出某种方式反应的材料。所述无机颗粒包括但不限于金属化合物之类的陶瓷和/或非金属化合物与磁性材料颗粒制备的核壳结构粒子，例如金属钛酸盐、金属硫酸盐、金属氧化物、非金属氧化物、金属氟化物、金属氮化物、金属碳化物和非金属碳化物与过渡元素铁、钴、镍及其合金等磁性物质构建的核壳结构粒子，也可以是磁性物质本身，如金属及合金磁性材料或铁氧体磁性材料。

进一步地，所述无机颗粒为核壳结构，包括核心以及包覆所述核心的壳体，所述核心与所述壳体至少包含一种所述磁性材料以及一种无机非磁性材料，所述无机非磁性材料的相对介电常数大于或等于40。例如所述无机颗粒为二氧化钛与四氧化三铁(TiO₂@Fe₃O₄)或者钛酸钡与四氧化三铁(BaTiO₃@Fe₃O₄)组成的核壳结构，在本实施例中，二氧化钛及碳酸钡分别作为核心，四氧化三铁作为壳体包覆所述核心，在磁场中，四氧化三铁受磁场的影响而运动，从而带动整个核壳结构运动。选择二氧化钛或钛酸钡等高相对介电常数的无机颗粒与磁性材料共同构建核壳结构粒子作为无机颗粒可以降低填料颗粒的添加比例。

所述无机颗粒的粒径小于100μm，例如为50μm、30μm、20μm、10μm、5μm、1μm或者纳米尺寸，较小的粒径有利于所述无机颗粒分散于液态有机物中。所述无机颗粒的粒径可以通过激光衍射或等同方法确定粒径，至少95％的颗粒处于或低于所制定的粒径。

在一具体实施例中，粒度为1μm的TiO₂@Fe₃O₄与粘度1Pa·s的环氧树脂(型号为E51/MeHHPA)混合，在利用钕铁硼永磁体进行诱导时，20分钟的时间排列成链状。

进一步地，所述悬浊液中至少包含一粒径小于1μm的无机颗粒，这有利于稳定所述悬浊液。粒径小于1μm的无机颗粒可以通过采用球磨、磨碎研磨、振动研磨和喷射研磨方法中的一种来研磨无机颗粒，从而减小所述无机颗粒的粒径。

进一步地，所述颗粒包括零维球状、一维线状、二维片状。

进一步地，所述悬浊液中的无机颗粒的体积分数小于或等于50％。

优选地，所述悬浊液中的无机颗粒的体积分数小于或等于5％。

在其他的实施例中，还包括对所述无机颗粒进行偶联剂处理步骤。所述偶联剂处理步骤包括将所述无机颗粒置于乙醇与偶联剂共同组成的溶液中进行浸泡，或者在所述悬浊液中添加偶联剂。所述无机颗粒在经过偶联剂处理后，能够提高所述无机颗粒与所述液态有机物的相容性，从而提高无机颗粒与所述液态有机物的结合强度。

所述偶联剂的质量占所述偶联剂与所述无机颗粒总质量的0.5％-2％。

在一具体实施例中，所述偶联剂为γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，所述偶联剂的添加量为占无机颗粒及所述偶联剂总质量的1.5％。

所述液态有机物为可固化的材料，即通过一定的固化条件，使所述液态有机物固化，所述有机物包括热固性塑料(例如环氧树脂或酚醛树脂)、热塑性塑料(例如聚乙烯)以及橡胶(例如硅橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶或硫化硅橡胶)中的至少一种。

进一步地，所述液态有机物的粘度小于或等于10Pa·s。优选地，所述液态有机物的粘度小于或等于1Pa·s或者100mPa·s。

进一步地，所述悬浊液的粘度小于或等于100Pa·s，较小的粘度有利于提高磁场诱导效率。所述悬浊液的粘度可以通过降低所述无机颗粒的填料分数、降低所述无机颗粒的粒径、加热、添加消泡剂等方式降低。

优选地，所述悬浊液的粘度小于等于10Pa·s。

进一步地，所述悬浊液中还包括促进剂及固化剂中的一种或多种。所述促进剂用于降低固化条件及提高固化速度，例如降低固化所需要的温度或者时间。所述固化剂用于使所述液态有机物固化。

在步骤S2中，将所述悬浊液置于磁场中后，悬浊液中的无机颗粒在磁场的作用下，磁性材料被磁化，此时，所述无机颗粒可视为磁偶极子，被磁化的部分无机颗粒之间相互作用而转向从而呈链状排列，同时，磁性颗粒定向运动(例如朝磁铁N/S极运动)是由于磁场梯度引起的，从而呈梯度排列。因此所述无机颗粒在磁场的作用下具有梯度的呈链状排列。

进一步地，无机颗粒在悬浊液中受到的磁场力为

无机颗粒运动时在悬浊液中受到粘滞阻力为F＝6πηvr，则无机颗粒的运动速度为

其中，V为无机颗粒的体积，r为无机颗粒的半径，μ₀表示真空磁导率，χ填料表示无机颗粒的比磁化率，χ基体表示液态有机物的比磁化率。无机颗粒运动的方向由无机颗粒与液态有机物的磁化率的差值以及磁场的分布有关。具体地，当χ填料>χ基体时，无机颗粒将朝磁场变强的方向运动，强磁场区域颗粒的体积分数增大；当χ填料<χ基体时，无机颗粒将朝磁场变弱的方向运动，弱磁场区域颗粒的体积分数增大。

具体地，无机颗粒在悬浊液中的运动会受到粘滞阻力，所以施加磁场时，颗粒在基体中的排列是一个时间和空间的函数。当χ填料>χ基体时，向高磁场强度区域的运动沉积以及磁性颗粒的排列成链。而且磁场越强的区域，颗粒的体积分数越高，颗粒的排列速度越快；磁场越弱的区域，颗粒的排列速度越慢，甚至当磁场小到一定阈值时，被磁化偶极子间的静磁力小于基体的粘滞阻力(比如表面张力)，颗粒将被限制在原来的位置无法排列成链。

利用这个特点,在绝缘件的加工过程中，根据绝缘系统结构形状，施加与绝缘系统电场分布相似的磁场，例如在绝缘系统电场较强区域的磁感应强度也较高，而且方向相同或相近，并控制合适的作用时间，在电场强度高的局部区域精准构建出几倍甚至几十倍于其他区域的相对介电常数，高相对介电常数的大小以及高相对介电常数区域的大小，均可以通过磁场大小、磁场不均匀度以及施加时间精准控制，以达到预期设计。此种方法，在高电场强度的局部，通过增大局部颗粒体积分数以及构建链状排列，提高该区域沿电场方向的相对介电常数。同时其他区域的填料体积分数不用很高，既节约成本，又利于产品的加工(整体的粘度较小)。

一般地，无机颗粒均匀无序分散在基体材料中，介电梯度材料的相对介电常数可以通过一些经验公式，例如麦克斯韦-格内特(Maxwell-Garnett)模型、Looyenga模型、Bruggeman模型等混合模型计算。所列计算公式如下：

Maxwell-Garnett公式:

Bruggeman公式：

Looyenga公式：

logε_复合＝φlogε_填料+(1-φ)logε_基体

其中

是添加无机颗粒的体积分数，ε_复合是所述介电梯度材料的相对介电常数，ε_填料是所述无机颗粒的相对介电常数，ε_基体是所述液态有机物的相对介电常数。

如果无机颗粒与液态有机物材料形成串联结构或者并联结构，那么介电梯度材料的相对介电常数可以用串联模型或并联模型计算，其公式如下：

串联模型：

并联模型：

ε_复合＝φε_填料+(1-φ)ε_基体

其中，并联模型在无机颗粒具有低填充体积分数的情况下，可以实现相对介电常数远大于其他模型。无机颗粒在磁场诱导下排列成链状便是与液态有机物形成了并联模型，可以在低填充比例下获得较高的相对介电常数(相对于混合模型)。

请参阅图2，以钛酸钡(相对介电常数1250)/环氧树脂(相对介电常数为4.5)复合材料为例，可以看出，当钛酸钡的体积分数10％时，并联模型的介电梯度材料的相对介电常数是混合模型的20倍；当钛酸钡的体积分数为20％时，并联模型的相对介电常数是混合模型的30倍。而且在低体积分数(小于30％)下，混合模型的介电梯度材料的相对介电常数未得到有效提升，例如，添加体积分数为30％，按照Maxwell-Garnett公式计算的复合材料相对介电常数为10.3，相对于环氧树脂只提高了2.28倍。而利用并联模型，仅需体积分数为0.5％的钛酸钡颗粒便可以将复合材料相对介电常数提高至10.8。可以看出利用并联模型来提高相对介电常数，可以大幅节省原料成本。同时，钛酸钡的体积分数过高，会导致悬浊液的粘度增加，流动性变差，不利于产品的浇注加工。

所述磁场的施加方式包括由永磁体自身的磁场或者外部电流线圈产生的磁场。

部分所述无机颗粒占无机颗粒总质量的质量比与磁场强度的分布有关，例如，在一实施例中，有20％的区域的无机颗粒受到的磁场力大于粘滞阻力，即所述质量比为20％；在另一实施例中，有70％的区域的无机颗粒受到的磁场力大于粘滞阻力，即所述质量比为70％。

进一步地，所述磁场强度不超过所述介电梯度材料或者所述介电梯度材料用于一电子元器件时内部能够承受的临界值，例如一电子元器件中内部精密结构由磁性材料(例如金属铁)构成，强磁场可能会造成内部形变。

进一步地，所述磁场强度能够驱动至少一种无机颗粒在悬浊液中运动、转向或排列，例如驱动悬浊液中至少一种无机颗粒的磁场强度可以是低于1T、低于0.5T、低于0.1T、低于0.01T。

进一步地，磁场诱导无机颗粒在悬浊液中运动、转向或者排列，所述无机颗粒的分布可以是诸如在某个区域富集、在某个区域耗尽或者排列成规则链状。无机颗粒的分布可以通过光学显微镜、扫描电子显微镜、光率测量仪或者等效设备进行确定。

在一具体实施例中，在对所述悬浊液施加不超过10分钟的磁场后，利用光学显微镜观察到无机颗粒呈链状排列。在其他的一些实施例中，在施加不超过20分钟的磁场后，利用光学显微镜在特定区域观察到无机颗粒的富集或者耗尽现象。

在另一实施方式中，在向所述悬浊液施加电压前还包括将所述悬浊液浇注于一浇注模具中或者涂覆在一物体表面上。

所述浇注于一浇注模具中，即将所述悬浊液在浇注模具中固化处理后固化成一用户所需要的介电梯度材料的形状，所述介电梯度材料包括但不限于盆式绝缘子、支撑绝缘子、悬式绝缘子和电缆附件。

进一步地，所述浇注模具的表面涂覆有脱模剂，有利于浇注后的悬浊液脱离所述浇注模具。

进一步地，所述浇注模具是由低磁导率材料制成，例如除铁、钴、镍以外的金属，或者聚四氟乙烯等。

在步骤S3中，所述固化条件包括但不限于静置、加热、光照(例如紫外或者可见光)、机械加压等。

在一具体实施例中，所述液态有机物为E51环氧树脂和甲基六氢苯酐，所述固化条件为首先在100℃一次固化2小时，然后在120℃二次固化2小时。

进一步地，磁场诱导与固化条件在时间上可以重叠。

本发明还提供一种电子元器件的灌封方法，包括以下步骤：

步骤S101：提供至少两个电子元器件置于所述电子元器件的封装模块内；

步骤S102：加入所述无机颗粒及所述液态有机物于所述封装模块内，得到悬浊液，所述电子元器件浸入在所述悬浊液中，所述无机颗粒至少包含一种相对介电常数大于40的磁性材料；

步骤S103：对所述封装模块施加磁场，在所述磁场的作用下，部分所述无机颗粒受到的磁场力大于所述部分无机颗粒在悬浊液中受到的粘滞阻力，以使所述部分无机颗粒沿磁场方向呈链状排列；

步骤S104：对施加所述磁场后的所述悬浊液进行固化处理，使所述悬浊液固化，从而将所述电子元器件灌封在一起。

在步骤S101中，所述电子元器件包括但不限于绝缘栅双极型晶体(InsulatedGate Bipolar Transistor、IGBT)、金属-氧化物半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor、MOSFET)等。

在步骤S103中，施加的磁场的强度不超过介电梯度材料或者所述电子元器件时内部能够承受的临界值。

进一步地，在施加磁场的过程中，可以对所述电子元器件进行通电，如此能够使灌封于所述电子元器件的悬浊液固化后能够适应后续电子元器件运行时工作条件。

本发明还提供一种介电梯度材料，所述介电梯度材料由基于磁场诱导的介电梯度材料的制备方法所制得。所述介电梯度材料应用于多种领域，例如用于使电子元器件内绝缘、电子元器件外绝缘、电力装备外绝缘及电力装备内的电绝缘。

具体地，所述电子元器件内绝缘包括灌封胶，例如用于绝缘栅双极型晶体(Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT)模块中应用的绝缘灌封胶及电缆附件等；所述电子元器件外绝缘包括印刷电路板；所述电力装备内绝缘包括用于干式复合套管、电力电缆、电机内绝缘等；所述电力装备外绝缘包括多种绝缘子，例如复合悬式绝缘子、复合空心绝缘子、复合支柱绝缘子、盆式绝缘子及支撑绝缘子等。

在一具体实施例中，所述介电梯度材料用于连接至少两个电子元器件，所述电子元器件通过所述介电梯度材料连接但相互绝缘。所述电子元器件包括但不限于绝缘栅双极型晶体、金属-氧化物半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor、MOSFET)等。

在另一具体实施例中，所述介电梯度材料用于断路器及气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)中应用的盆式绝缘子。

本发明还提供一种介电梯度材料，所述介电梯度材料由基于磁场诱导的介电梯度材料的制备方法所制得。所述介电梯度材料适用于多种电子元器件，例如应用于断路器及气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)中应用的盆式绝缘子、绝缘栅双极型晶体(Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT)模块中应用的绝缘灌封胶及电缆附件。

另外，所述介电梯度材料还作为灌封材料用于连接至少两个电子元器件，所述电子元器件通过所述介电梯度材料连接但相互绝缘。所述电子元器件包括但不限于绝缘栅双极型晶体、金属-氧化物半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor、MOSFET)等。

进一步地，所述介电梯度材料还作为绝缘涂层应用于所述电力装备及所述电子元器件上。

所述介电梯度材料包括基体材料及填料颗粒，所述填料颗粒分散于所述基体材料中，所述填料颗粒为颗粒状，所述填料颗粒至少包含一种相对介电常数大于40的磁性材料。所述填料颗粒即为所述无机颗粒，所述基体材料即为所述液态有机物经过固化而成。

所述填料颗粒的相对介电常数大于或等于40，所述填料颗粒的相对介电常数是所述基体材料的相对介电常数的1-50倍。

所述介电梯度材料包括第一区域S₁、第二区域S₂及位于第一区域S₁与第二区域S₂之间的第三区域S₃，所述第三区域S₃作为第一区域S₁与第二区域S₂的过渡区域；至少一种所述填料颗粒在第一区域S₁中朝向第二区域S₂呈链状排列，所述填料颗粒在第二区域S₂无序分布，所述填料颗粒在第三区域S₃从有序到无序过渡分布，即靠近所述第一区域S₁的部位近似链状排列，靠近所述第二区域S₂的部位近似无序分布。

在一具体实施例中，所述第一区域S₁与第二区域S₂是根据在制备所述介电梯度材料的过程中产生所述磁场的内电极和外电极的位置进行划分，所述外电极环绕着所述内电极设置，距离所述内电极越近的区域的磁场强度越大，距离所述内电极越远的区域磁场强度越小。请参阅图3，以制备时放置的内电极为原点A，外电极为圆环B，所述第一区域S₁围绕所述原点A向外延伸，距离所述原点A越近的区域(即距离圆环B越远的区域)，所述填料颗粒的排列越呈链状排列，且介电梯度材料在越靠近原点A的第一区域S₁的相对介电常数越大；距离所述原点A越远的区域(即距离圆环B越近的区域)，所述填料颗粒的排列越呈无序状态，且介电梯度材料在越远离原点A的第二区域S₂的相对介电常数越小。因此，所述介电梯度材料的相对介电常数成梯度分布。

在其他实施例中，所述介电梯度材料并不限于图3所示的圆形，实际形状可以根据需要进行变更，如，还可以为方形、椭圆形以及其他不规则形状。

进一步地，位于第二区域S₂的所述介电梯度材料的相对介电常数是基体的1-5倍，位于第一区域S₁的所述介电梯度材料的相对介电常数是位于第二区域S₂的所述介电梯度材料的相对介电常数的1-50倍，位于所述第三区域S₃的所述介电梯度材料的相对介电常数介于位于第一区域S₁的所述介电梯度材料的相对介电常数和位于第二区域S₂的所述介电梯度材料的相对介电常数之间。所述介电梯度材料在实际应用中，位于第一区域S₁的所述介电梯度材料优先置于相对高的电场场强区域，位于第二区域S₂的所述介电梯度材料置于相对低的电场场强区域。

进一步地，至少一种所述填料颗粒的相对介电常数大于或等于所述基体材料的相对介电常数的40倍。

进一步地，填料颗粒的密度呈梯度分布于所述基体材料中，位于第一区域S₁的填料颗粒的密度大于或等于位于第二区域S₂的填料颗粒的密度。

所述基体材料中还包括促进剂、固化剂、消泡剂及偶联剂中的一种或多种。

下面通过具体的实施例来对本发明进行具体说明。

实施例

将光敏双酚A型环氧丙烯酸酯树脂、消泡剂TL-X60按照质量份数100:0.4的配比加入混合罐得到混合液，在超声环境中以600r/min的速度搅拌0.5h，并在50℃的真空环境中脱气0.5h。

将所述混合物、粒径1μm的钛酸钡@四氧化三铁核壳结构粒子和KH-560硅烷偶联剂按照质量份数为100:2.5:0.0375的配比加入混合罐，在超声环境中以600转/分的速度搅拌0.5小时，并在50℃的真空环境中脱气0.5小时得到悬浊液，其中，换算成体积分数，钛酸钡@四氧化三铁占悬浊液总体积的0.5％。

请参阅图4，将所述悬浊液置于圆盘形模具中，所述圆盘形模具由聚四氟乙烯材料制成，表面涂覆佳丹909A脱模剂，中心处同轴贯穿半径5mm的管状黄铜电极作为内电极，黄铜电极内按照钕铁硼磁铁(N-S)-聚四氟乙烯-钕铁硼磁铁(S-N)的顺序放置磁铁与中间垫块，磁铁与垫块均为半径4.5mm的圆柱体，两块磁铁高度均为6mm，垫块高度3mm，垫块与圆盘形模具上下表面平齐，圆盘形模具外边缘箍有同轴圆筒黄铜电极作为外电极；利用所述钕铁硼磁铁对所述圆盘形模具施加磁场，磁铁的剩磁为0.9T，单个磁铁的中心表磁计算值约为0.3T。

将施加磁场后的悬浊液浇注至水平放置的模具中，静置30min，然后将所述模具放入紫外灯箱中照射2h，进行固化，得到基于磁场诱导的介电梯度材料。

对比例1

与实施例不同的是：直接将所述混合物固化得到绝缘件，而未加入钛酸钡@四氧化三铁核壳结构粒子和KH-560硅烷偶联剂，也未施加磁场诱导。

其他与实施例相同，这里不再赘述。

对比例2

与实施例不同的是：所述悬浊液未施加磁场诱导，直接固化得到绝缘件。

其他与实施例相同，这里不再赘述。

请参阅图5A、图5B及图5C，图5A为实施例中施加磁场的截面磁感应强度矢量场图，图5B为实施例中的磁感应强度梯度矢量场图，图5C为实施例所施加的磁场的三维磁感应强度云图的有限元计算结果图。从图5A中可以看出，在环氧树脂中靠近内电极处的磁场强度基本沿径向放射状分布，这和所述介电梯度材料在实际工况中的电场分布相似，磁性颗粒会沿磁场方向链状排列；从图5B中可以看出，在环氧树脂中靠近内电极处的梯度增大，且方向基本沿径向向内，这就会导致磁性颗粒朝内电极表面运动沉积。

请参阅图6A、图6B、图6C、图6D及图6E，其中，图6A、图6B及图6C是对实施例所制备的介电梯度材料在靠近内电极区域内在不同倍率下的光学显微镜测试图，从图6A、图6B到图6C，放大倍数依次增大；图6D及图6E是与图6C在相同的放大倍率、不同区域下的光学显微镜测试图，其中，图6C距离内电极最近、图6E距离内电极最远、图6D距离内电极居中的区域。

从图6A、图6B及图6C中可以看出，填料颗粒呈放射状链条分布与基体中，链条连续无中断，而靠近内电极表面处，存在1mm左右的沉积层，图6B中可以看见内电极环状(0.5mm)的轮廓。从图6D及图6E与图6C相比，图6D中的无机颗粒依然呈现出一定的取向性，但是链条长度较短且较为分散，未形成连续的链状分布，图6E中的无机颗粒取向性进一步下降，链条更短且更加分散。

请参阅图7，为对实施例(添加0.5％无机颗粒并进行磁场诱导)、对比例1(未添加无机颗粒)及对比例2(添加0.5％无机颗粒未进行磁场诱导)所制备的材料进行沿面闪络电压测试结果图，可以看出，实施例制备的材料具有63.2％概率的闪络电压为23.1kV；而对比例1制备的材料具有63.2％概率的闪络电压为19.3kV，实施例相对于对比例1其闪络电压提高了19.7％；对比例2的介电梯度材料具有63.2％概率的闪络电压为20.4kV，实施例相对于对比例2其闪络电压提高了14.2％。

本发明所提供的介电梯度材料，包括基体材料及填料颗粒，其中填料颗粒在基体材料在部分区域呈链状的有序排列，在除所述部分区域外呈无序分布，同时在有序排列的区域的填料颗粒的密度大于或等于无序分布的区域，从而构建了相对介电常数以及填料密度都呈梯度分布的介电梯度材料；同时链状排列的方向与所述介电梯度材料实际应用中的电场方向一致，从而所述介电梯度材料能够较好的适用于高电场场强分布的环境中；所述介电梯度材料具有梯度范围大、应用范围广以及性能优越等特点。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种介电梯度材料，所述介电梯度材料包括基体材料及填料颗粒，其特征在于，所述填料颗粒分散于所述基体材料中，所述填料颗粒至少包含一种相对介电常数大于40的磁性材料；所述介电梯度材料包括第一区域、第二区域以及位于所述第一区域及所述第二区域之间的第三区域，至少一种所述填料颗粒在所述第一区域中呈链状排列，所述填料颗粒在所述第二区域中呈无序分布，所述填料颗粒在所述第三区域中呈有序到无序的过渡分布，所述填料颗粒的密度呈梯度分布于所述基体材料中，位于所述第一区域的所述填料颗粒的密度大于或等于位于所述第二区域的所述填料颗粒的密度；位于所述第二区域的所述介电梯度材料的相对介电常数是所述基体材料的1-5倍，位于所述第一区域的所述介电梯度材料的相对介电常数是位于第二区域的所述介电梯度材料的相对介电常数的1-50倍；位于所述第三区域的所述介电梯度材料的相对介电常数介于位于第一区域的所述介电梯度材料的相对介电常数和位于第二区域的所述介电梯度材料的相对介电常数之间。

2.根据权利要求1所述的介电梯度材料，其特征在于，所述填料颗粒为所述磁性材料本身，或者为无机非磁性材料与磁性材料结合成的核壳材料，所述无机非磁性材料的相对介电常数大于或等于40。

3.根据权利要求1所述的介电梯度材料，其特征在于，所述基体材料包括热固性塑料以及热塑性塑料中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的介电梯度材料，其特征在于，所述基体材料为环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶以及硫化硅橡胶中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的介电梯度材料，其特征在于，所述填料颗粒的粒径小于50μm。

6.根据权利要求1所述的介电梯度材料，其特征在于，所述介电梯度材料中还包括促进剂、固化剂、消泡剂以及偶联剂中的一种或多种。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的介电梯度材料在电力装备以及电子元器件中的应用。

8.根据权利要求7所述的介电梯度材料的应用，其特征在于，所述电力装备包括盆式绝缘子、支撑绝缘子、复合绝缘子以及复合套管，所述电子元器件包括绝缘栅双极型晶体管，所述介电梯度材料还作为绝缘涂层应用于所述电力装备及所述电子元器件上。

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