Nanomateriály pro elektrotechniku

Ing. Lukáš HARVÁNEK

Disertační práce

Anotace:

Největšími výhodami pevných polymerních dielektrik pro vysokonapěťové účely jsou zejména jejich elektrické a fyzikální vlastnosti. Proto hlavní myšlenkou a zaměřením této práce je posouzení, zda nanotechnologie může zlepšit elektrické vlastnosti stávajících izolačních materiálů a do jaké míry. Shrnutá vědecká činnost v předkládané disertační práci vznikla ve snaze vytvořit nový komplexní polymerní nanokompozit pro vysokonapěťovou izolační techniku. Výzkum se zaměřuje na návrh, posouzení a výrobu nového dielektrického materiálu. Epoxidová pryskyřice, která je nejběžnějším polymerem ve vysokonapěťové elektroizolační technice, je použita jako jedna ze složek pro vytvoření nového elektroizolačního nanokompozitu. Za účelem zlepšení elektrických vlastností a modifikace epoxidové pryskyřice jsou implementována nanoplniva do stávajícího polymerního základu. Byly vytvořeny 3 typy nanokompozitů, které obsahují různé druhy epoxidových pryskyřic, a to jak průmyslově používané (Epoxylite? 220 TSA), tak i pouze experimentálně používané (DGEBA). Další odlišností jsou různé koncentrace hydrofobní nanosiliky (nanočástic), různé druhy nanovláknin (polyamid a polyimid) a různé metody výroby (sol-gel proces, mechanické míchání). Správná dispergace nanočástic je nejdůležitějším faktorem pro konečné vlastnosti nanokompozitu, proto byl stanoven přesný postup výroby vzorků, který zahrnuje i návrh a sestrojení formy. Příprava takového nanokompozitu nebyla jednoduchá a v průmyslových aplikacích bude třeba věnovat této problematice zvláštní pozornost. V našem případě dobrá a stabilní dispergace částic v polymerní směsi byla docílena mechanickým mícháním a ultrazvukovými vibracemi. Pro získání relevantních informací byly stanoveny parametry a diagnostický systém pro ověřování nových materiálů obsahující jak elektrické a strukturální, tak i mechanické měřící metody. Z výsledků měření byly vzniklé anomálie dielektrických vlastností nanokompozitu vysvětleny pomocí rozhraní mezi polymerním základem a plnivem a jejich vlivu na makroskopické vlastnosti kompozitu. Měření na nově vzniklých nanokompozitech prokázalo, že modifikace epoxidové pryskyřice nanočásticemi zlepšují v některých případech fyzikální vlastnosti nanokompozitů a nanovlákniny mají tendenci se chovat jako bariéra a zvyšovat elektrickou pevnost.

Abstract:

The biggest advantages of using solid polymer dielectric materials for high voltage devices are specifically their electrical and physical properties. For this reason, the main idea and goal of this study is to assess to what extent nanotechnology can improve the electrical properties of existing insulation materials. This work's overview of scientific activities was created in an effort to create a comprehensive new polymer nanocomposites using high voltage insulation technology. Epoxy resin, which is most common in the high polymer electro technique is used as one of the components to create a new electrical insulating nanocomposite. In order to improve the electrical properties and the modification of epoxy resins, nanofillers are injected into existing polymer base. Three types of nanocomposites were created containing various kinds of epoxy resins, namely two resins, the industrially used (Epoxylite? 220 TSA) and the experimental (DGEBA). Other differences include various concentrations of hydrophobic nano-(nanoparticles), different nanofabrics (polyamide and polyimide), and various production methods (sol-gel process, mechanical stirring). Proper dispersion of nanoparticles is the most important factor for the final properties of the nanocomposite, so it was determined the exact process of production samples, which also includes designing and building forms. The preparation of such nanocomposite was not easy, and industrial applications will need to pay special attention to this issue. In our case, a good and stable dispersion of the particles in the polymer blend was achieved by mechanical stirring and ultrasonic vibration. To obtain information, a diagnostic system for testing new materials were set with parameters containing electrical, structural, and mechanical measurement methods The measuring results caused anomalies to occur in the dielectric properties of the nanocomposite, which is explained by the interface between the polymeric base and a filler, as well as their effect on macroscopic properties of the composite. Measurements on newly formed nanocomposites showed that modification of the epoxy resin nanoparticles improve the physical properties of nanocomposites in certain cases and the nanofabric tends to act as a barrier and increase dielectric strength.

Klíčová slova

izolační materiál, dielektrika, nanokompozit, epoxidová pryskyřice, nanoplniva, nanočástice, nanosilika, nanovláknina, polyamid, polyimid

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 5. 5. 2017

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Prof. Ing. Václav Mentlík, CSc.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta elektrotechnická

Doktorský studijní program / obor:
Elektrotechnika a informatika / Elektrotechnika