环氧树脂表面电荷积聚与消散特性研究

Study on Surface Charge Accumulation and Dissipation Characteristics of Epoxy Resin

摘要: 环氧树脂表面电荷积聚与消散特性分析由于考虑不全面，未从多个方向对其进行深入分析，仅分析伽马射线辐射量等情况下的特征，导致分析存在局限性，因此，提出环氧树脂表面电荷积聚与消散特性研究。该研究从电极接触方式、大气压介质阻挡放电和伽马射线辐射三种条件下研究环氧树脂表面电荷积聚与消散特性，其中采用接触和不接触两种电极分布方式连接环氧树脂，测试电极分布方式对于环氧树脂表面电荷分布影响；在大气压介质阻挡放电条件下，使用等离子体放电装置处理环氧树脂，分析处理前后环氧树脂表面电荷分布；测试工作环境中伽马射线辐射量对于环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响。试验结果显示采用接触电极分布方式，环氧树脂表面电荷积聚量更少，到达了−4.8 pC/mm²，电荷消散更快；采用等离子体放电装置，实现大气压介质阻挡放电，其中经过9 min等离子体发生装置处理后，环氧树脂表面电荷密度降低更明显，此时的电荷密度仅为5.5 pC/mm²，抑制环氧树脂表面电荷积聚，加快表面电荷消散。环氧树脂所处环境中，在辐射量达到1000 kGy时，正负电荷密度分别由68.9 pC/mm²和80.1 pC/mm²降到36.9 pC/mm²和47.2 pC/mm²，伽马射线辐射量越大，环氧树脂表面电荷积聚越少，电荷消散越多。

Abstract: Due to incomplete consideration, the analysis of surface charge accumulation and dissipation characteristics of epoxy resin did not carry out in-depth analysis from multiple directions, and only analyzed the characteristics in the case of gamma ray radiation, leading to limitations in the analysis. Therefore, the study of surface charge accumulation and dissipation characteristics of epoxy resin was proposed. This study studied the surface charge accumulation and dissipation characteristics of epoxy resin under three conditions: electrode contact mode, dielectric barrier discharge at atmospheric pressure and gamma-ray radiation. Two electrode distribution modes of contact and non-contact were used to connect epoxy resin, and the influence of electrode distribution mode on the surface charge distribution of epoxy resin was tested. Under the condition of dielectric barrier discharge at atmospheric pressure, epoxy resin was treated with plasma discharge device, and the surface charge distribution of epoxy resin before and after treatment was analyzed. The effect of gamma ray radiation on the surface charge accumulation and dissipation characteristics of epoxy resin in working environment was tested. The test results show that the charge accumulation on the surface of epoxy resin is less, reaching −4.8 pC/mm², and the charge dissipation is faster. Plasma discharge device was used to achieve dielectric barrier discharge at atmospheric pressure. After 9 min plasma generation device treatment, the surface charge density of epoxy resin decreased more significantly, and the charge density at this time was only 5.5 pC/mm², which inhibited the surface charge accumulation of epoxy resin and accelerated the surface charge dissipation. In the environment of epoxy resin, when the radiation amount reaches 1000kGy, the positive and negative charge density decreases from 68.9 pC/mm² and 80.1 pC/mm² to 36.9 pC/mm² and 47.2 pC/mm², respectively. The greater the gamma ray radiation amount, the less charge accumulation on the surface of epoxy resin, and the more charge dissipation.

1. 引言

环氧树脂作为一种常见的聚合物材料，在多个领域都有着广泛的应用[1]。环氧树脂的介电损耗小，可以降低能源的损失，提高能源的利用率[2]。环氧树脂具有出色的耐电弧性。环氧树脂还具有良好的耐热性能和耐化学腐蚀性，在高温环境下，环氧树脂的电气性能仍能保持稳定，不易发生热分解和热变形等现象。同时，环氧树脂对多种化学物质具有较高的耐腐蚀性，可以在恶劣的环境中保持稳定的性能。在物理力学性能方面，环氧树脂也表现出色。它具有较高的机械强度和粘附力，可以与各种材料紧密结合，不易脱落或开裂[3] [4]。环氧树脂表面电荷的积聚与消散特性是其重要的电学性能之一，在环氧树脂的表面，由于其特殊的化学结构和物理状态，会产生电荷的积聚和消散现象，这些现象的发生与环氧树脂表面的极性、表面能、表面粗糙度以及环境因素等密切相关[5]。环氧树脂表面电荷如果成为中字电子还会造成树脂出现沿面放电情况，严重时环氧树脂会出现闪络事故，危害电气设备的运行安全[6] [7]。因此，了解和掌握环氧树脂电荷的积聚与消散具有重要意义[8]。但是现阶段的研究较少，并且研究不够全面，未从多个方面考虑其特性。因此，相关学者针对该问题进行了深入研究。

张跃[9]等人在工频双极性方波电场下，研究了环氧树脂的空间电荷特性，得出真空脱气后其电荷量明显下降，但是该研究仅分析了工频双极性方波电场条件，即考虑了常规电场，未考虑特殊情况下的伽马射线辐射，即穿透力更强的电磁辐射，导致分析存在局限性。胡伯立[10]等人研究了电极接触方式对环氧树脂表面电荷积聚与消散特性的影响，得出材料表面主要积聚与施加电压极性相同的电荷，而当电极与绝缘子间非紧密接触时，材料表面主要积聚与施加电压极性相反的电荷。该研究仅分析了不同电极接触方式，分析也不够全面。李志辉[11]等人研究了多巴胺接枝的纳米氮化硼改性环氧树脂绝缘表面电荷高频消散特性，得出引入多巴胺接枝的BN可有效提升环氧树脂复合绝缘的电荷消散速率，但是该研究主要分析改性材料，针对其电荷聚集和消散特征研究不够深入。

针对上述研究的不足，本文从电极接触方式、介质阻挡放电、伽马射线辐射三个方面的影响，分析环氧树脂表面的电学性能，以此深入了解环氧树脂在高频电压下的行为。

2. 材料

2.1. 原料

在实验中需要使用部分原料，将其用于测试分析，主要原料如表1所示。

Table 1. Basic technical properties of raw materials

表1. 原材料的基本技术性能

原料	厂家	性能
环氧树脂	河南汇能树脂有限公司	流平性超过7，抗弯强度超过23 MPa，固含量超过56%，抗压强度18.9 MPa，粘度18~22 Pa∙s
无水乙醇	济南广宇化工有限公司	极强挥发性，沸点为78.5℃，20℃时的折射率为1.361

2.2. 仪器设备

在研究环氧树脂表面电荷积聚与消散特性时，由于从多个方面对其进行了分析，因此，在测试过程中采用了多个仪器设备，仪器设备具体如表2所示。

Table 2. Application equipment name and detailed description

表2. 应用设备名称及详细说明

设备名称	静电探头	步进电机	钨针电极	采集卡	示波器	钢针电极	等离子体发生装置
厂家	武汉倍斯特仪器设备有限公司	常州兴华电器有限公司	洛阳铭研特有色金属有限公司	深圳市麦恩科技有限公司	江苏辉科电子实业有限公司	成都善荣机电设备有限公司	东莞固特环保科技有限公司
型号	F622B	35BYJ46	W1	A4K	MSO4	SWAN	GT-ZY/FK-310
详情	测量精度0.0002，响应时间小于1 s，环境湿度不超过85%，工作时间	功率与电压分别为5 W和5 V，保持力矩0.53 NM，轴长24 MM，引线长度500 MM	熔点3600℃，轧制工艺制备，锆钨电极掺杂量0.2%~0.9%	保存温度–20℃到70℃，率 支持超低延迟64行视频延迟，输入接口HDMI，操作温度0到60℃	采样率2 GS/s，扫频宽度 × 10.14，记录长度5 M点，精度±3.045% H + 2.03 um，测量范围70~200 MHZ	最高135℃，谱线波长130~800 nm，测试速度30 s，CCD3648 px，温度范围0~80℃	气体纯度95%~99%，噪声小于50%，环境温度40℃，气体流量20 L/min

3. 测试方法

环氧树脂在使用过程中会处于多种复杂环境，因此研究环氧树脂表面电荷积聚与消散特性时，需要综合性考虑多种外部因素。本文在前期研究时分析多种影响因素，最终确定研究电极接触方式、大气压介质阻挡放电、伽马射线辐射三种条件下环氧树脂表面电荷积聚与消散特性，从多个方面研究其变化规律。

3.1. 不同电极布置方式条件下电荷积聚与消散特性分析方法

1) 环氧树脂样品制备

选取现有的环氧树脂薄膜，厚度为2.5 mm，电极(左侧和右侧各一个)选择铝片，厚度约为1.5 mm，两种材料的直径分别为85 mm和25 mm。其中左侧电机与直流高压连接，右侧电极需要连接底线，左右两个电极的距离约为55 mm，电极与环氧树脂之间使用绝缘螺栓连接。使用10 kV直流电压为环氧树脂构建电场，使用Multiphysics软件计算环氧树脂在不同电极布置下的电荷积聚与消散变化情况[12]。

2) 电极布置方式

考虑不同电极布置方式，对于环氧树脂电场分布的影响，本文选取的电极方式分别为：① 接触布置，保证环氧树脂和铝片电极紧密连接，连接之前先在电极接触面涂抹上导电胶；② 不接触分布，该分布方式不涂抹导电胶，将环氧树脂轻置于电极表面。

测试之前先使用无水乙醇测试环氧树脂表面，并吹干环氧树脂表面的水分，确保材料表面没有电位。分析环氧树脂表面电荷积聚时，设定电压加载时长为1 h，每间隔10 min测量环氧树脂表面电荷的分布情况，测量之前要尤其注意切断直流电源，保持其中一个电极与地线连接。完成一次电荷分布测试后重新接头高压，开展下一阶段测试。完成电荷积聚测试以后停止接通电源，等待环氧树脂表面电荷消散，每间隔1 h测试一次，共测试1 h之内电荷消散情况。

3) 测试设备

使用静电探头测试环氧树脂表面的电荷变化，测试时，探头和环氧树脂之间的距离保持约2 mm的距离，控制系统搭载在两台步进电机上。在环氧树脂材料上随机布置多个监测点，每个点的距离约为1 mm，每个点最少扫描80 s。电荷分布密度需要通过计算获得。

4) 数值计算

使用式(1)计算电荷积聚密度σ：

$\sigma =\left({\epsilon }_0*{\epsilon }_r/d\right)*V$ (1)

其中，ε₀是真空介电常数，d表示环氧树脂的厚度，V和ε_r分别表示单点电位和相对介电常数。

使用式(2)计算电荷消散率D：

$D=\left[\sigma \left(t_1\right)-\sigma \left(t_2\right)\right]/\sigma \left(t_1\right)*100\%$ (2)

其中，t₁和t₂分别表示开始测量时间与结束测量时间。

电荷消散速率M计算如式(3)所示：

$M=\left[\sigma \left(t_1\right)-\sigma \left(t_2\right)\right]/\left(t_1-t_2\right)$ (3)

3.2. 大气压介质阻挡放电条件下电荷积聚与消散特性分析方法

电荷积聚会导致环氧树脂材料出现绝缘损伤，因此采用等离子体放电装置，实现介质阻挡放电，抑制环氧树脂表面电荷积聚[13]。该装置的布置与试验方法如下：

1) 介质阻挡放电装置设置

本文所使用的离子体放电装置结构如图1所示。

Figure 1. Atmospheric pressure dielectric barrier test set

图1. 大气压介质阻挡试验装置

本文所使用的等离子体发生装置由脉冲交流供电。电压波形由U接口中自带的衰减器实现输出，无感电阻内置在I接口上。使用微晶玻璃作为介质阻挡材料，在微晶玻璃的中心区域镶嵌一个电极，环氧树脂置于微晶玻璃中电极的正上方。介质阻挡环氧树脂的距离由四阶卡槽调节。使用示波器记录电压和电流的分布情况。

2) 试验装置

试验对象为环氧树脂薄膜，将经过无水乙醇擦拭后的环氧树脂薄膜置于烘箱之中烘干1 h，消除环氧树脂表面的残余电荷、水分和无用气体。在试验室中搭建用于测试电荷积聚与消散的试验平台[14]。离子体发生装置置于一个有机玻璃腔中，内部保持40%湿度，电极选择钨针电极，环氧树脂置于玻璃腔中，连接等离子体发生装置，上端垂直电极。施加直流电1 h，每通电10 min，从玻璃腔中取出，使用静电探头记录不同通电时长下，环氧树脂表面电荷的积聚与分散情况。探头测试时与环氧树脂之间的距离控制在3~5 mm之内。探头上搭载采集卡，使得电荷数据能够传输到计算机，在计算机中计算电荷密度。测试之前，在环氧树脂上随机分布大量测试点，各个测试点均扫描3次以上，以此保证测试的准确性。

使用式(1)~式(3)计算大气压介质影响下，环氧树脂表面电荷分布情况。

3.3. 伽马辐射条件下电荷积聚与消散特性分析方法

环氧树脂由于良好的绝缘性能经常应用在电场和科研仪器中，这些环境经常存在严重的电磁辐射和核辐射，这些射线对于环氧树脂表面电荷分布会造成严重影响，因此需要研究其中具有代表意义的伽马射线对于环氧树脂表面电荷分布情况，以便今后在实际环境中调整环氧树脂的使用参数[15]。

1) 材料选取

选取的环氧树脂试样直径、厚度与上文一致。辐射射线为60Co伽马射线，该射线的辐射率为15 kGy/h，根据试验需求，设定该伽马射线的辐射量分别为0 kGy、50 kGy、100 kGy、500 kGy、1000 kGy，试验过程分别分析环氧树脂没有处于伽马射线下、少量辐射和较重辐射情况下环氧树脂表面电荷分布情况。

2) 电极施加分布

随机选取两个铝片作为环氧树脂左右两个电极，通过导电胶把这两个铝片粘贴在环氧树脂的两端。一侧连接电源同时连接S1和S2两个开关，一侧连接地线和S3开关。不锈钢针电极连接直流高压电垂直在环氧树脂试验的上方，该钢针电极和环氧树脂之间的间距不超过5 mm。

3) 电荷分布测试

在开始测量环氧树脂电荷分布受到伽马射线辐射影响之前，先使用无水乙醇擦拭环氧树脂表面，在置于烘箱之中清除环氧树脂表面的水分。先关闭S3开关，同时使得S1和S2的开关保持打开状态，连接电极的钢针向环氧树脂释放4 kV的直流高压，初步设定施加时长为10 min，环氧树脂接收电极传输的电晕放电产生的电荷。在环氧树脂表面沿着X轴和Y轴随机分布多个测试点，完成施加以后切断电源，使用探头测试环氧树脂表面的电荷分布。每次完成电荷施加以后对每个测试点扫描三次，确保扫描结果的准确性。

4. 测试结果分析

4.1. 电极布置方式条件下电荷积聚与消散特性

通过测量和计算获得不同电极分布方式下，环氧树脂表面电荷积聚情况(电荷密度)，试验过程分别分析+10 kV正电荷与−10 kV负电荷两种情况下电荷分布。试验结果如图2所示。

Figure 2. Charge accumulation under different electrode distribution methods

图2. 不同电极分布方式条件下电荷积聚

从图2中能够看出，不同电极分布方式，导致环氧树脂表面的电荷积聚情况出现较大差异。图2(a)采取电极与环氧树脂接触的分布方式，从试验结果能够看出随着电压加载时长增加，负电荷呈现出先上升后降低的变化趋势，可以看出电压加载40 min以后，电荷积聚减弱，但是环氧树脂表面的正电荷在电压加载时长变化下并没有出现明显波动。这种变化情况是由于，电极与环氧树脂直接接触，大量电荷进入材料之中，负电荷集中于材料表面。图2(b)中电极没有紧密接触环氧树脂，材料表面积聚的正电荷和负电荷几乎相同，这是因为电极不接触材料，材料表面积聚的电荷都是来自空气中的游离电荷，电荷分布较为均匀。

不同电极布置方式下，电荷消散情况如图3所示。

从图3(a)能够看出，使用接触方式布置电极，正电荷和负电荷在不同加载时长下的消散变化趋势几乎相同，且电荷在10 min后呈现出迅速下降的变化趋势，由此可以看出，该电极布置方式，环氧树脂表面电荷消散较快。图3(b)中负电荷消散量显著高于正电荷，且不接触布置电极下，电荷消散量小于接触布置的电极。该情况下的正负电荷密度达到了1.2 pC/mm²和6.5 pC/mm²，而接触布置电极下的电荷密度在60 min时达到了−3.0 pC/mm²和−4.8 pC/mm²，对比分析可知，接触布置电极，电荷消散更快更多。

4.2. 大气压介质阻挡放电条件下电荷积聚与消散特性

等离子体发生装置处理时间不同，会导致环氧树脂表面的电荷积聚与消散情况发生变化，测试离子体发生装置处理时间分别为0 min、3 min、9 min时，环氧树脂表面电荷积聚(电荷密度)与消散情况，试验结果如图4所示。

Figure 3. Charge dissipation under different electrode distribution modes

图3. 不同电极分布方式条件下电荷消散

Figure 4. Charge distribution under atmospheric pressure dielectric barrier discharge conditions

图4. 大气压介质阻挡放电条件下电荷分布

从图4(a)能够明显看出，未经过等离子体发生装置处理的环氧树脂材料，电荷密度较高，在60 min时，电荷密度仍有21.9 pC/mm²，说明单独使用的环氧树脂在未经处理之前，表面积聚电荷较多，且密度较大，这种情况会导致环氧树脂在实际使用过程中出现电路损伤故障，影响相关设备的正常使用。经过等离子体发生装置短时间处理(3 min)的环氧树脂电荷密度较为适中，其电荷密度为13.8 pC/mm²，与未经处理的环氧树脂表面相比，电荷密度有所降低，但是降低结果并不理想。经过9 min等离子体发生装置处理后，环氧树脂表面电荷密度显著降低说明经过该等离子体发生装置处理后，环氧树脂电荷得到有效消散，此时的电荷密度仅为5.5 pC/mm²，其不会再对使用效果造成严重影响。

图4(b)中试验结果与图4(a)中试验结果相对应，未经等离子体发生装置处理的环氧树脂没有出现明显电荷消散，但是经过9 min等离子体发生装置处理后环氧树脂表面的电荷消散数值明显上升，消散较为明显，此时的电荷消散率达到了23.1%，环氧树脂表面电荷大幅度减少，能够显著降低电力设备使用时故障发生的概率。

4.3. 伽马辐射条件下电荷积聚与消散特性

伽马射线辐射普遍存在于环氧树脂所使用的工作环境之中，这种射线的辐射量大小会直接影响环氧树脂的使用效果，因此，研究0 kGy、50 kGy、100 kGy、500 kGy、1000 kGy五种伽马射线辐射大小时，环氧树脂表面电荷积聚(电荷密度)和消散变化情况，试验结果如图5所示。

Figure 5. Charge distribution under gamma-ray exposure conditions

图5. 伽马射线辐射量条件下电荷分布

分析图5可知，伽马射线辐射量升高，环氧树脂表面电荷密度降低，在辐射量达到1000 kGy时，正负电荷密度分别由68.9 pC/mm²和80.1 pC/mm²降到36.9 pC/mm²和47.2 pC/mm²，说明受到伽马射线辐射影响，环氧树脂表面的电荷积聚程度降低，伽马射线辐射量越大，环氧树脂表面电荷积聚受到的影响也就越大，当伽马射线辐射达到1000 kGy时，环氧树脂表面电荷消散较为明显，此时的正负电荷的消散率达到了24.8%和27.5%。对比正电荷和负电荷的变化趋势，环氧树脂表面的负电荷受到辐射影响较小，消散的更慢，正电荷在环氧树脂表面更不易发生积聚。

5. 结论

1) 环氧树脂的工作场景决定了环氧树脂表面出现大量电荷，严重影响环氧树脂的绝缘性能。

2) 采用电极布置方式、介质阻挡放电、伽马射线辐射三个方面分析环氧树脂表面电荷的分布变化。通过研究发现，电极与环氧树脂紧密接触时，环氧树脂表面电荷消散更快，有利于降低环氧树脂出现电荷积聚的概率。

3) 采用的介质阻挡放电，能够提升环氧树脂电荷消散量。伽马射线辐射能够提升环氧树脂的消散率，降低环氧树脂表面电荷的积聚量，一定程度提升环氧树脂的绝缘性能。

基金项目

四川交建科研项目(SCJJKY-2022-119)。

NOTES

^*通讯作者。