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
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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
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。
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