基于陷阱分布的PI/ZnO复合薄膜介电特性

李天娇 张 博 乌 江,

基于陷阱分布的PI/ZnO复合薄膜介电特性

李天娇1张 博2乌 江1,2

（1. 电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学） 西安 710049 2. 西安工程大学电子信息学院 西安 710048）

航天器在空间环境中的运行稳定性与聚酰亚胺（PI）等航天介质材料绝缘性能息息相关，而其介质内部载流子陷阱是影响绝缘性能的重要因素之一，因此，探究陷阱分布对介质电气性能的影响对保障航天器介质安全使用具有重要意义。该文制备不同掺杂量（质量分数0.5%、1%、3%）的纳米PI/ZnO复合薄膜并进行介电性能测试，通过热刺激电流法和表面电位衰减法分别测量薄膜体陷阱和表面陷阱能级分布并计算其载流子迁移率，测量体积电阻率和击穿场强。该文基于多核模型对纳米ZnO的引入使聚合物的介电性能发生改变的现象进行解释；从陷阱能级的角度分析深、浅陷阱对极化离子的影响机制，讨论陷阱整体的分布对介电常数变化的影响。这些分析和研究为调控材料的绝缘性能、提高航天器的安全性提供了新的思路和方法。

介电性能 聚酰亚胺 纳米ZnO 陷阱能级分布

0 引言

航天器在近地轨道高度的空间环境中运行时，各种带电粒子会入射到航天器表面，造成航天器介质材料、电子器件甚至对航天器上的生物产生辐射损伤[1]。由于介质材料的电阻率大，泄放电荷的能力较弱，载流子易被介质内部陷阱捕获并积累，最终使航天器表面发生放电现象，严重威胁航天器的运行稳定性，制约了高压大功率航天器的发展[2-3]。因此，研究绝缘材料的介电性能和电荷分布特性尤为重要。

聚酰亚胺（Polyimide, PI）是一种性能优异的电气绝缘材料，因其良好的高低温耐受、耐辐照、抗老化等特性而广泛应用于航空航天领域[4-5]。有学者提出纳米电介质的绝缘性能与界面性质有关，将一定量的纳米粒子掺杂进聚合物基体中会引入大量陷阱，进而影响介质材料的电、热、力学等性能。Yang Yang[6]、何丽娟[7]等用陷阱分布解释不同掺杂浓度PI/Al2O3电晕老化特性，证明纳米掺杂浓度和温度对介质内部电子输运的协同效应，实验证明掺杂一定浓度的纳米颗粒可延长试样的耐电晕寿命。郑晓泉等[8]用粒径不同的纳米氧化锌改性PI，研究陷阱对电子辐照环境中聚酰亚胺沿面闪络特性的影响。Zhou Guiyue[9]、Han Yongsen[10]等使用多种方法测量纳米复合材料陷阱密度分布以验证聚合物中空间电荷分布。S. Diaham[11]根据空间电荷限制电流特性，评估了聚酰亚胺/氮化硼（PI/BN）纳米复合材料在不同纳米颗粒尺寸和填料含量下的陷阱参数对其直流电性能的影响。在现有文献中，虽然已经发现纳米填充可以有效提高绝缘材料的介电性能，但对聚合物介电常数变化的机理解释较少，特别是陷阱特性对复合薄膜介电性能影响的试验和理论分析不足，因此研究陷阱变化和介电性能变化的相互作用具有重要意义。

本文采用原位聚合法制备聚酰亚胺纳米氧化锌复合薄膜，搭建了等温表面电位衰减（Isothermal Surface Potential Decay, ISPD）测试平台，随后对聚酰亚胺及改性试样进行表面陷阱能级分布测试，并利用热刺激电流（Thermally Stimulated Depolari- zation Currents, TSDC）法得到薄膜体陷阱能级分布情况，最后基于多核模型[12]，从载流子迁移率、电阻率、击穿特性等方面讨论界面区域对介电常数的作用。

1 试验方案

1.1 聚酰亚胺纳米复合薄膜的制备

本实验采用原位聚合法制备PI/ZnO纳米复合材料，试验中使用的原料见表1。

表1 聚酰亚胺制备原料

Tab.1 Materials for PI film

试样制备过程：首先，对原料进行预处理，将均苯四甲酸二酐（Pyromellitic Dianhydride, PMDA）、二氨基二苯醚（Oxydianiline, ODA）分别在170℃和120℃下真空烘干6h。其次，将改性过的纳米氧化锌粉末以不同质量分数加入二甲基乙酰胺（Dimethylacetamide, DMAC）溶液中机械搅拌并超声振荡1h，再将ODA加入到混合溶液中，最后将PMDA以等物质的量分多次加至溶液中，制备得到淡黄色粘稠态聚酰胺酸（Polyamic Acid, PAA）/纳米粒子浆液，抽真空后平铺于洁净的玻璃板上，最后将玻璃板置于真空烘箱中，基于经典梯度升温法改进热亚胺化工艺[13]，采用80℃-0.5h，120℃-0.5h，150℃-1h，250℃-1h，300℃-1h梯度升温制得不同质量分数的纳米复合试样（0% PI, 0.5% PI/ZnO, 1% PI/ZnO, 3% PI/ZnO）。

1.2 表面陷阱分布的测量装置

在聚合物绝缘材料中由于化学、物理缺陷等原因会存在大量的陷阱。ISPD法能够通过测量表面沉积电荷在等温条件下的衰减行为来获取该温度条件下视在陷阱能级的分布特性[10]。基于电晕充电法的表面电位测试系统如图1所示。

电晕充电电极采用带栅极的针-板电极，栅电极与针尖和试样表面的距离均为5mm，针电极和栅电极均连接高压直流电源，电压幅值为±15.5kV，同时板电极接地。实验中静电电位计的型号为TREK 347B，静电探头的型号为TREK-6000B-14。实验测试时保证测试箱内温、湿度相对稳定，将试样放置于针电极下方，加压15s后迅速移动金属板于静电探头下方进行测量，并用计算机记录实验数据。

图1 表面电位衰减特性测试系统

1.3 载流子陷阱能级测量

热刺激电流法是一种被广泛应用的表征聚合物中陷阱参数的方法，对于评估聚合物中的陷阱能级和陷阱密度，准确表达聚合物内部连续的陷阱结构具有重要作用[14]。基于准连续能级分布改进的TSDC法，能够由热刺激去极化电流计算得到样品的体陷阱能级密度分布。在实验前用酒精擦拭试样表面并烘干，在试样两面喷射金电极。实验时，首先在120℃时对被测样品在电场强度3.06kV/mm的条件下极化处理30min，然后以-30℃/min的速度冷却至-20℃，设置样品去极化时间为5min，最后以3℃/min的升温速率进行加热，同时记录退极化电流。

1.4 体积电阻率

采用Keithly6517皮安表和三电极系统测量试样的体积电阻率，最大测量电压为直流1 000V。本实验中，测试温度为300K，施加电压50V，测试时间为15s，为保证实验准确性，测量多个数据点并将前5个不稳定的数据点删除，每片试样采集8个数据点，计算电阻率值和实验误差，本文中每片试样的体积电阻率误差值均小于7.08%。

1.5 介电常数的测量

采用Novocontrol Concept 80宽频谱分析仪测量试样的相对介电常数和介质损耗因数。为保证测试的准确性，实验前用酒精擦拭试样表面，放真空烘箱烘干处理，在试样两面喷射金电极，实验测试温度为213～393K，测量频率范围是10-1～106Hz。

2 实验结果与分析

2.1 ZnO质量分数对复合材料介电性能的影响

相对介电常数和介质损耗因数是绝缘材料的两个重要特征参数，是描述电介质极化的宏观参 数[15]。PI薄膜和不同掺杂量PI/ZnO纳米复合薄膜的介电性能随频率的变化如图2所示。纯PI薄膜的相对介电常数约为3.96，随着频率的升高相对介电常数仅下降0.13，说明PI薄膜的介电性能相对稳定。随着掺杂量的增加，相对介电常数呈先下降后上升的趋势，具体在3.2节进行分析。在低频区，界面处偶极子的电子位移极化与转向极化对相对介电常数共同作用，在高频区，界面极化滞后于频率的变化，因此随着频率的增加，相对介电常数均呈下降的趋势。

图2 不同掺杂量PI/ZnO纳米复合薄膜的介电特性

纯PI薄膜整体的介电损耗最低，随着纳米粒子掺杂量的增加，损耗因数整体呈上升趋势。掺杂量较低时损耗因数的变化不明显，当掺杂量较高时，在低频区和高频区变化明显，尤其是3% PI/ZnO损耗因数在低频区明显下降，而在高频区明显上升。

2.2 体积电阻率

纳米复合薄膜的体积电阻率如图3所示。可知，纯PI薄膜的体积电阻率最高，为1.43×1016W·cm。随着掺杂质量分数的增加，体积电阻率整体呈先下降后上升的趋势，在质量分数为1%时出现最低点，此时复合薄膜的体积电阻率为4.41×1015W·cm。

图3 纳米复合薄膜的体积电阻率

2.3 复合薄膜的击穿场强

击穿测试以10个试样为一组，升压速度为2kV/s，利用Weibull统计[16-17]分析聚酰亚胺纳米复合薄膜的耐击穿强度，Weibull统计公式为

式中，为击穿电压（kV）；为威布尔分布尺寸参数，表示薄膜失效概率为63.2%时的击穿场强；为形状参数，表示实验数据的分散性，是实验数据的范围度量。

由于取值对实验数据影响较大，在此引入与概率相关的Ross分布函数，将实验数据按从小到大排列，得到对应失效概率为

式中，为测试试样序号；为测试试样总数。

图4为PI/ZnO复合薄膜直流击穿场强的Weibull分布，击穿场强与形状参数见表2。纯PI薄膜与PI/ ZnO复合薄膜的测量数据均具有良好的线性，纯PI薄膜的形状参数值最大，随着填料含量的增加，复合薄膜的形状参数值变小，说明薄膜内部结构因纳米粒子的加入而发生变化，所测量的数据分散性增加。同时，随着纳米粒子含量的增加，复合薄膜的击穿场强逐渐降低，纳米氧化锌掺杂量较高时击穿场强的下降幅度变小。

图4 PI/ZnO复合薄膜击穿场强的Weibull分布

表2 直流击穿场强及形状参数

Tab.2 DC breakdown field strength and shape parameters

2.4 ZnO质量分数对复合材料陷阱特性的影响

2.4.1 改性复合材料体陷阱性能

由图5的热刺激电流谱图可知，纯PI薄膜的去极化电流峰在129℃，其电流峰值为-19.76pA，掺杂纳米氧化锌后，试样的热刺激电流谱峰向低温移动，去极化电流峰值呈先增大再减小的趋势，在质量分数1% PI/ZnO处为最大值，此时温度在120℃，电流峰值为-49.00pA，同时在70℃左右出现新的电流峰，说明薄膜内部陷阱结构出现了明显的变化。

图5 热刺激电流谱图

根据热刺激电流理论[18]，只考虑从电极注入的电子，外部电路的感应电流计算式为

式中，()为热刺激电流过程中受热脱陷的电子在外电路中的感应电流；为电子量；为电子注入试样的深度；为试样厚度；C和V分别为导带能级和价带能级；0(m)为能级m时电子占有率；t(m)为陷阱能级密度函数；(m,)为一个电子在当前温度和能级m的作用下注入试样的权重贡献，微积分变换后得

图6 不同掺杂量PI/ZnO纳米复合薄膜的体陷阱分布

分子链的振动和环境改变伴随着界面区高分子链与纳米颗粒排列结构的变化，因此界面区是一种边界模糊无规则形态的纳米级过渡区域[19-20]。从图6中可看出，聚酰亚胺薄膜及纳米粒子改性复合薄膜的陷阱呈现连续性分布，陷阱能级均分布于0.7～1.3eV之间。随着纳米掺杂量的升高，浅陷阱密度与深陷阱密度呈先增加再减少的趋势，当掺杂量质量分数为1%时出现极大值。对曲线进行分峰处理发现，质量分数为0% PI薄膜、0.5% PI/ZnO薄膜与3% PI/ZnO薄膜三条曲线形状相似，有明显的浅陷阱峰、深陷阱峰，而1% PI/ZnO薄膜在1.0eV出现了新的浅陷阱峰。

2.4.2 改性复合材料表面陷阱性能

图7为试样在负电晕充放电条件下的等温表面电位衰减曲线。在初始阶段，试样上表面与背电极间感应电荷大，被浅陷阱束缚的电荷易脱陷向背电极迁移；随着时间的变化，浅陷阱中电荷越来越少，而深陷阱中电荷脱陷比较困难，因此电位呈现先快后慢的非线性衰减现象。纯PI薄膜初始电位为-2 464.8V，4h后的衰减率为60.27%；0.5% PI/ZnO薄膜初始电位为-2 212.7V，4h后衰减速率为61.44%；1% PI/ZnO薄膜初始电位为-1 946.5V，4h后衰减速率为86.32%；3% PI/ZnO薄膜初始电位为-1 792.6V，4h后衰减速率为82.25%。纯PI薄膜的初始电位最高，衰减率最低，随着掺杂量的升高，初始电位不断降低，衰减率呈现先升高后降低的趋势，在掺杂量质量分数为1%时衰减率最大，说明纳米粒子掺杂改变了表面电荷的输运情况，加速了表面电荷的消散。

图7 等温表面电位衰减曲线

基于J. G. Simmons和M. C. Tam提出的理 论[21]，假设单一电荷从陷阱脱陷后不再重复进行入陷一脱陷过程，并忽略空穴与电子的复合行为，可计算出不同纳米复合材料的表面陷阱能级和陷阱密度分别为

式中，()为试样表面电位；0为材料真空介电常数；r为材料相对介电常数。采用双指数函数进行拟合后得到薄膜的表面深、浅陷阱能级分布特性如图8所示。

图8 复合薄膜表面陷阱分布曲线

由图8可以看出，电子陷阱电荷分布曲线中存在两个明显的峰，分别表示电子浅陷阱和电子深陷阱。浅陷阱能级分布于0.80～0.98eV，深陷阱能级分布于0.92～1.05eV。随着纳米粒子质量分数的增加，浅、深陷阱密度均呈现先增加后减小的趋势，与TSDC的实验结果吻合。

3 分析与讨论

3.1 陷阱特性分析

基于改进的TSDC法[22]得到试样的陷阱能级和陷阱密度结果见表3。

表3 陷阱能级和陷阱密度

Tab.3 Trap energy levels and trap density

随着纳米氧化锌掺杂量的升高，纳米粒子复合薄膜体陷阱密度呈现先上升再下降的趋势，在质量分数为1%时出现峰值。1% PI/ZnO薄膜的浅陷阱密度较纯PI薄膜由深陷阱密度由9.91×1019m-3上升至1.67×1020m-3。说明纳米氧化锌粒子均匀分散于聚合物基体中，起到了明显的“填隙效应”的作用，有效阻碍了薄膜内载流子迁移率[23]。当掺杂量质量分数为3%时，纳米粒子出现团聚现象，使深陷阱密度降低，由于纳米颗粒间相互作用大，导致界面区出现明显的重叠现象，松散层面积减小使浅陷阱密度下降。

空间电荷在介质中迁移时遵循电磁学基本定律，根据泊松方程和电流连续性方程，结合表面电位衰减率可计算载流子迁移率[24]为

式中，T为空间电荷从表面迁移至背部电极所需时间，即传输时间；0()为初始电位。电荷的迁移过程会在T处出现拐点，由式（8）求得迁移率。

图9展示了0% PI薄膜和1% PI/ZnO复合薄膜表面电位衰减率与传输时间的关系，载流子迁移率计算结果见表4。

图9 表面电位衰减率与传输时间的关系

表4 载流子迁移率

Tab.4 Mobility of carriers

电子在聚酰亚胺内部的输运过程包括分子链内的能带输运与分子间跳跃输运，聚酰亚胺分子间依靠范德华力结合，电子波函数重叠少，因此载流子分子间运动的迁移率小，将偶联剂处理后的纳米粒子掺杂进聚酰亚胺后，聚合物基体与纳米填料表面产生了新的化学键和强氢键，电子波函数重叠增多，分子链结构的改变影响了复合材料的结晶、交联、电荷输运等性能，界面处物理和化学结构的变化会引入深、浅陷阱。根据体陷阱和表面陷阱的计算结果得出0.5% PI/ZnO薄膜与3% PI/ZnO薄膜陷阱总量较纯PI薄膜有小幅度增加，而1% PI/ZnO薄膜的陷阱总量大幅度提升，因为浅陷阱对于载流子的束缚能力弱，电荷容易消散，所以纳米复合薄膜的迁移率升高。

从本质上，电介质电导率取决于其载流子性质和数量，电介质的电导率为

式中，n、、分别为第种载流子在介质内部的浓度、所带电荷以及电荷迁移率。

随着纳米掺杂量的增加，载流子总量先升高再降低，载流子迁移率单调增加，所以复合薄膜体积电阻率先快速下降后趋于平缓，与实验结果一致。

由TSDC与ISPD实验可证，纳米粒子的掺杂使介质内部陷阱的数量增加，在电极释放出的高能、高速电子轰击下，绝缘介质中的载流子被结构缺陷或杂质缺陷形成的陷阱捕获形成空间电荷，浅陷阱中电荷能快速脱陷，深陷阱中的空间电荷迅速积累畸变电场，导致复合薄膜的击穿场强减小。在1%时，浅陷阱数量大幅度增加，入陷电子能快速脱陷，由上述分析可知，一定量的纳米粒子可填充聚合物中的微孔，在电场作用下陷阱结构对载流子的捕获和散射作用使载流子迁移率减小，降低了聚合物分子间的碰撞概率，因此击穿场强的下降趋势变平缓。但掺杂含量继续增加，纳米粒子出现团聚现象时，颗粒尺寸变大，复合薄膜内部无机相与有机相直接出现大量粗界面，聚合物容易出现断键现象，导致击穿场强继续下降。

3.2 陷阱分布对介电常数的影响

聚合物高分子链的弯曲、折叠、交联等情况会在禁带间隙引入局域态或定域态能级，而陷阱就是能对自由载流子的运动产生束缚作用的局域结构，载流子的输运和消散过程与入陷—脱陷过程密切相关[8, 25]。基于多核模型理论描述载流子在聚合物内部的输运过程如图10所示。

键合层中主要包含深陷阱，束缚层中主要包含浅陷阱，界面的引入伴随着陷阱数量的增加，与实验结果一致。1% PI/ZnO复合薄膜中深、浅陷阱密度增加，载流子被陷阱大量捕获，纳米粒子在聚合物基体内部分散均匀并与聚合物本体之间形成新的化学键。一方面可以“填补”聚合物基体因分子链纠缠、制备工艺等原因造成的“缺陷”；另一方面偶联剂的耦合作用使得束缚层的有效面积增加，使纳米粒子的位阻作用有效地阻挡电荷在聚合物内部输运，进而导致界面区高分子链可动性降低，电子或粒子跳跃电导的概率降低，其介电常数较纯PI薄膜降低。随着掺杂量继续增加，界面区开始发生重叠现象，在界面重叠区形成了低阻导电通路，有利于载流子在聚合物内部的输运，使3% PI/ZnO复合薄膜的介电常数快速提升。

图10 基于多核模型的载流子输运过程

3.3 温度对介电常数的影响

本文在工频、不同温度下对聚酰亚胺复合薄膜进行了介电性能测试，如图11所示。聚酰亚胺薄膜的结晶度较低，在外电场作用下，电子位移极化与转向极化对介质性能影响较大。低温时极性分子热运动很弱，处于冻结状态，此时电子位移极化占主要作用。随着实验温度的升高，与热运动相关的松弛极化得以建立，聚酰亚胺的转向极化率不断降低，复合薄膜的相对介电常数逐渐降低。

图11 相对介电常数随温度变化特性曲线

纳米氧化锌掺杂对介电常数的影响：

（1）纳米氧化锌在聚酰亚胺内部引入界面极化和杂质离子的热离子极化作用，在不同类型极化离子的协同作用下复合薄膜的介电性能发生改变。在电场作用下自由电荷被界面内深、浅陷阱捕获形成宏观偶极矩，随着温度的升高，热离子容易克服势垒跃迁到平衡位置，导致热离子极化率降低。

（2）1% PI/ZnO复合薄膜内部浅陷阱增多，极化离子容易从浅陷阱中脱陷—中和—消散，进而导致介质内部极化离子数量减少，所以介电常数较低，且表现出介电性能的温度敏感性较低。

（3）纳米粒子掺杂量较高时，3% PI/ZnO复合薄膜内部深陷阱数量较多，被深陷阱捕获的载流子不易脱陷，在电场的作用下，极化离子数量较多，介电常数升高。在低温下界面极化作用强，随着温度的升高，被深陷阱捕获的载流子热运动增强，极化离子开始从深陷阱中脱陷—中和—消散，因此在高温时，相对介电常数迅速下降，表现出较强的温度敏感性。

4 结论

本文制备了纯PI薄膜与三种不同掺杂比例的纳米氧化锌改性PI薄膜，测试了复合薄膜的介电性能等电气性能参数，通过热刺激电流法、等温表面电位衰减法测量了PI和PI/ZnO纳米复合薄膜的陷阱特性，并利用陷阱分布特性解释了复合薄膜介电性能变化。结果表明：

1）纳米复合界面是影响电荷积聚和消散的重要因素。随着掺杂量的增加，聚合物薄膜体陷阱和表面陷阱均呈现先增加再降低的趋势，1% PI/ZnO薄膜的深、浅陷阱密度有明显的提升，载流子被陷阱大量捕获，有效地阻挡电荷在聚合物内部的输运；当界面发生重叠时产生低阻导电通路，最终导致介电常数出现先下降后上升的现象。

2）陷阱分布和温度共同影响聚合物纳米复合材料的介电性能。随着温度的升高，热离子极化和转向极化的作用明显，极化离子更容易从陷阱中脱陷以达到平衡位置，因此深陷阱密度高的试样表现出较强的温度敏感性。

3）聚合物内部陷阱数量的增加影响载流子输运过程，导致击穿场强下降。被浅陷阱束缚的载流子很容易脱陷，而深陷阱中载流子容易积聚形成畸变电场，所以浅陷阱数量大量增加时，载流子迁移率增加，复合薄膜电阻率下降，击穿场强的下降趋势变缓。

[1] Hastings D, Garret H. Spacecraft environment inter- actions[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1996.

[2] Gu Yidong, Gao Ming, Zhao Guangheng. Science research and utilization planning of China's space station in operation period 2022-2032[J]. Chinese Journal of Space Science, 2020, 40(5): 609-614.

[3] 刘尚合, 胡小锋, 原青云, 等. 航天器充放电效应与防护研究进展[J]. 高电压技术, 2019, 45(7): 2108-2118.

Liu Shanghe, Hu Xiaofeng, Yuan Qingyun, et al. Research progress in charging-discharging effects and protection of spacecraft[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(7): 2108-2118.

[4] 董国静, 刘涛, 李庆民. 脉冲电应力下空气-聚酰亚胺绝缘沿面放电过程数值模拟[J]. 电工技术学报, 2020, 35(9): 2006-2019.

Dong Guojing, Liu Tao, Li Qingmin. Numerical simulation for surface discharge of air-polyimide insulation under pulsed electrical stress[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 2006-2019.

[5] Liaw D J, Wang K L, Huang Yingchi, et al. Advanced polyimide materials: syntheses physical properties and applications[J]. Progress in Polymer Science, 2012, 37(7): 907-974.

[6] Yang Yang, He Jinliang, Wu Guangning, et al. “Thermal Stabilization Effect” of Al2O3nano-dopants improves the high-temperature dielectric performance of polyamide[J]. Scientific Reports, 2015, 5(1): 16986.

[7] 何丽娟, 马玥, 杨雄, 等. 三层LDPE/MgO纳米复合材料界面空间电荷特性[J]. 电机与控制学报, 2020, 24(8): 109-114, 130.

He Lijuan, Ma Yue, Yang Xiong, et al. Space charge characteristics at interface in triple-layered structures with LDPE/MgO nanocomposites[J]. Electric Machines and Control, 2020, 24(8): 109-114, 130.

[8] 张博, 乌江, 郑晓泉. 改性聚酰亚胺表面稳定性与真空直流沿面闪络抑制方法研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(13): 2846-2853.

Zhang Bo, Wu Jiang, Zheng Xiaoquan. Study of the surface stability of modified polyimide and the suppression method of surface flashover under DC voltage in vacuum[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2019, 34(13): 2846-2853.

[9] Zhou Guiyue, Wu Jiandong, Zhang Yu, et al. Investi- gation of charge transport in LDPE/SiO2nanocom- posite based on the simultaneous observation of charge and current behaviour[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(6): 1981-1988.

[10] Han Yongsen, Li Shengtao, Min Daomin. Trap energy distribution in polymeric insulating materials through surface potential decay method[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2018, 25(2): 639-648.

[11] Diaham S. Modulation of the dielectric breakdown strength in polyimide nanocomposites by deep traps tailoring in interphase regions[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(1): 247-252.

[12] Tanaka T, Kozako M, Fuse N, et al. Proposal of a multi-core model for polymer nanocomposite di- electrics[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(4): 669-681.

[13] 翟燕. PMDA-ODA型聚酰亚胺聚集态结构的可控制备及其薄膜性能研究[D]. 成都: 四川大学, 2007.

[14] Han Bai, Gao Xin, Wang Jianyu, et al. Trap character- ristics of zeolite/LDPE nanocomposites investigated by difference method[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(3): 760-767.

[15] 南江, 刘诚威, 夏平安. 聚四氟乙烯/纳米碳化硅改性复合材料的制备及其介电特性[J]. 电工技术学报, 2021, 36(增刊1): 1-7.

Nan Jiang, Liu Chengwei, Xia Ping’an. Preparation and dielectric characteristics of nano-SiC/PTFE composite [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(S1): 1-7.

[16] 张晓彤. 基于威布尔分布的涡扇发动机寿命预测研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019.

[17] 董明, 杨凯歌, 马馨逸, 等. 纳米改性变压器油中载流子输运特性分析[J]. 电工技术学报, 2020, 35(21): 4597-4608.

Dong Ming, Yang Kaige, Ma Xinyi, et al. Analysis of charge-carrier transport characteristics of transformer oil-based nanofuids[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(21): 4597-4608.

[18] Tian Fuqiang, Bu Wenbin, Shi Linshuang, et al. Theory of modified thermally stimulated current and direct determination of trap level distribution[J]. Journal of Electrostatics, 2011, 69(1): 7-10.

[19] 何金良, 彭思敏, 周垚, 等. 聚合物纳米复合材料的界面特性[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(24): 6596-6605.

He Jinliang, Peng Simin, Zhou Yao, et al. Interface properties of polymer nanocomposites[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(24): 6596-6605.

[20] 罗杨, 吴广宁, 彭佳, 等. 聚合物纳米复合电介质的界面性能研究进展[J]. 高电压技术, 2012, 38(9): 2455-2464.

Luo Yang, Wu Guangning, Peng Jia, et al. Research progress in interface properties of polymer nanocom- posite dielectric[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(9): 2455-2464.

[21] Simmons J G, Tam M C. Theory of isothermal currents and the direct determination of trap parameters in semiconductors and insulators containing arbitrary trap distributions[J]. Physical Review B, 1973, 7(8): 3706-3713.

[22] Yang Chun, Zhang Ying, He Lijuan, et al. Study on the trap distribution in polyimide thin film based on TSDC method[C]//IEEE International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials, Harbin, China, 2009: 911-913.

[23] 杨国清, 刘庚, 王德意, 等. 超支化聚酯改性纳米SiO2/环氧树脂的电树枝生长特性[J]. 电工技术学报, 2020, 35(20): 4415-4422.

Yang Guoqing, Liu Geng, Wang Deyi, et al. Growth characteristics of electric tree for Nano-SiO2/Epoxy resin modified by hyperbranched polyester[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(20): 4415-4422.

[24] 高宇, 杜伯学. 采用表面电位衰减法表征高压交联聚乙烯电缆绝缘中空间电荷的输运特性[J]. 高电压技术, 2012, 38(8): 2097-2103.

Gao Yu, Du Boxue. Characterization method for carrier trap and the effect on insulation breakdown within polymer insulating materials[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(8): 2097-2103.

[25] 杜伯学, 韩晨磊, 李进, 等. 高压直流电缆聚乙烯绝缘材料研究现状[J]. 电工技术学报, 2019, 34(1): 179-191.

Du Boxue, Han Chenlei, Li Jin, et al. Research status of polyethylene insulation for high voltage direct current cables[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2019, 34(1): 179-191.

The Dielectric Properties of PI/ZnO Composite Films Based on Trap Level Distribution

121,2

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. College of Electronic Information Xi’an Polytechnic University Xi’an 710048 China）

The operating stability of spacecraft in the space environment is closely related to the insulation performance of aerospace dielectric materials such as polyimide (PI), and the carrier trap inside the dielectric material is one of the important factors affecting the insulation performance. Therefore, exploring the impact of trap distribution on the electrical properties of dielectric materials is of great significance to ensure the safe use of spacecraft dielectric materials. In this paper, nano-PI/ZnO composite films with different doping levels (0.5%, 1%, 3%) are prepared and tested for dielectric properties. The energy distribution of thin film bulk traps and surface traps are measured by thermally stimulated depolarization currents method and isothermal surface potential decay method respectively, the carrier mobility is calculated, and the volume resistivity and breakdown field strength are measured. Based on the multi-core model, the phenomenon that the introduction of nano-ZnO changes the dielectric properties of polymers is explained, and the influence mechanism of deep and shallow traps on polarized ions is analyzed from the perspective of trap level. This paper can provide new ideas and methods for regulating the insulation properties of materials and improving the safety of spacecraft.

Dielectric properties, polyimide, nano-ZnO, trap level distribution

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90430

TM215.1; TM855

李天娇 女，1998年生，硕士研究生，研究方向为纳米复合聚酰亚胺材料介电性能及电荷输运机理。E-mail: ltj0518@stu.xjtu.edu.cn

乌 江 男，1986年生，讲师，研究方向为极端环境下介质表面充放电机理与抑制方法。E-mail: jiangw@xjtu.edu.cn（通信作者）

2020-07-11

2020-10-05

国家自然科学基金资助项目（51607134）。

（编辑 崔文静）