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聚乙烯作为高压直流电缆绝缘一直受到严重的制约,其中最主要的原因是聚乙烯在直流电场作用下易于产生空间电荷。空间电荷的产生可导致电场畸变,严重威胁电缆的安全运行。纳米技术的出现为解决聚乙烯内空间电荷积聚等问题提供了解决方案。大量的研究也证实,纳米颗粒与聚乙烯复合获得了较好的改性效果,而这些纳米颗粒多为纳米氧化物颗粒,具有非导电特性。Dow化学公司曾推出导电纳米颗粒改性聚乙烯绝缘材料,具有较好的空间电荷抑制能力,但相关的改性机理却鲜有报道。因此有必要进一步对导电纳米颗粒改性聚乙烯进行试验和理论研究。本文以两种不同性质的炭黑(CB),分别标记为CB1和CB2,作为纳米填充相,采用熔融共混法制备低密度聚乙烯(LDPE)基纳米复合材料。采用透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等测试方法表征CB1和CB2颗粒微观结构和表面化学特性,结果表明CB1比CB2具有更加粗糙的表面和更高的表面活性,因此可与LDPE基体产生更强的相互作用。CB颗粒在LDPE基体内通过物理吸附或化学键的方式使其周围分子链的运动受到抑制,可以起到锚定作用,使复合介质α松弛强度降低。相比CB2,CB1颗粒与LDPE基体问的作用更加显著,可以更有效地限制α松弛。利用电声脉冲法(PEA)研究了 LDPE及其纳米复合介质的空间电荷行为。结果表明,CB1/LDPE和CB2/LDPE纳米复合介质均可有效地抑制空间电荷积聚,且前者的抑制能力更强。通过分析LDPE空间电荷热释放过程和α松弛特性,发现空间电荷的脱陷与α松弛运动相关联,说明LDPE内积聚的空间电荷是由参与α松弛的分子形成的陷阱捕获,主要积聚在片晶间的无定形区内。采用热刺激电流法(TSC)和分子动力学模拟法分析复合介质陷阱特性和深陷阱形成机理。结果表明,炭黑掺杂在LDPE基体内引入了大量能级较深的陷阱,并且这些深陷阱的产生归因于炭黑对电子具有非常强的捕获能力。深陷阱使注入的电子在介质表层积聚形成负电荷层,可削弱电极附近的电场,限制电子的进一步注入。另外炭黑与片晶间的分子链产生较强的相互作用,使分子链排列更加紧密,减少了参与α松弛的分子形成的结构缺陷的数量,从而降低了陷阱密度使LDPE原有的空间电荷捕获机理被抑制。在这两种机理的共同作用下有效地提高了抑制空间电荷积聚的能力。通过与CB/LDPE纳米复合介质对比研究,发现MgO/LDPE和SiO2/LDPE纳米复合介质同样符合深陷阱抑制空间电荷机理。不同纳米复合体系形成深陷阱的机理可能有所差异,基于原子力显微镜(AFM)测试技术探讨了不同纳米复合体系内深陷阱的形成机理。SiO2/LDPE纳米复合介质的深陷阱可能是由界面电荷产生。而MgO/LDPE纳米复合介质深陷阱形成机理可能属于电场诱导深陷阱模型理论。通过AFM测试进一步证实炭黑颗粒本身携带着深能级陷阱,CB/LDPE纳米复合介质内的深陷阱是由于炭黑颗粒本身具有捕获电子的能力。实验研究了 LDPE和CB1/LDPE纳米复合介质的电导特性,结果表明CB1/LDPE纳米复合介质比LDPE具有更低电导率和电导温度依赖特性。电缆绝缘层电场分布计算表明,CB1/LDPE纳米复合介质合理的电导特性使得其在较高温度梯度下能够有效抑制绝缘层外侧电场强度的显著增加,提高了电缆运行的可靠性。另外耐电强度测试结果表明,低温(30℃)时CB1/LDPE和CB2/LDPE纳米复合介质耐电强度较LDPE明显降低,但高温(70℃)时复合介质耐电强度略低于或高于LDPE。由于电缆的击穿强度是由电缆在使用温度范围内的最低击穿强度决定的,所以炭黑掺杂LDPE复合介质在低温时耐电强度降低并不会对其作为电缆绝缘材料的应用产生较大影响。