固体介质中的空间电荷对其性能有重要的影响，它有有利的一面，比如在驻极体和生物 电介质中，也有不利的一面，比如在电气绝缘领域。随聚合物材料在电气绝缘领域应用的日 益广泛，特别是随着直流高压输电系统的发展，聚合物中空间电荷问题也越来越成为人们关 注的焦点，有现象表明，空间电荷的存在是阻碍输电电缆向超高压发展的主要障碍，也是引 起聚合物的老化和击穿中的主要因素，因此测量聚合物介质中空间电荷的形成和分布，寻求 提高聚合物绝缘性能的方法就显得非常必要。 在八十年代，出于空间电荷研究的追切需要，一批非破坏性固体介质中空间电荷分布测 量的新方法纷纷发展起来。例如压力波法(PWP)、电声脉冲法(PEA)、激光光强调制法 (LIMM)和温度波法(TP)等。这些新方法的出现使固体介质中空间电荷的分布测量成 为可能，对于了解空间电荷对介质老化和击穿机理的研究起到了非常重要的作用。 科研工作者对聚合物中老化和击穿的研究已经有相当的历史，并且积累了相当地资料。 科研工作者发现，聚合物的能带结构不同于晶体的能带结构，聚合物是长程无序而短程有序 的，是所谓的包含大量局域能级的改进能带模型。根据这种模型，电子注入和抽出模型，热 电子模型，光降解模型被提出并用来解释聚合物的老化和击穿现象。在某种意义上，这些模 型都有一定的道理，但却不能解释已经发生聚合物中所有的老化与击穿现象。这些模型的重 点是考虑了电荷注入对介质结构的影响，但是实验发现在某些特定的实验条件下，介质的破 坏是发生在陷阱电荷脱陷时，而不是入陷时。并且也有的科研工作者对这类模型也提出怀疑， 认为热电子的产生并不能从介质中获得足够的能量来切断聚合物中高分子链。 在对聚合物的老化和击穿的深入研究中发现，只知道空间电荷的形成和来源是远远不够 的。空间电荷的密度和分布并不能直接对聚合物的老化和击穿产生影响。浅陷阱空间电荷不 但不能加速而且能减缓聚合物的老化。 对聚合物中空间电荷的研究不仅仅限于以上所说，聚合物形态结构对空间电荷分布的影 响也得到广大科研工作者的关注。聚合物是结晶相与非结晶相共存的结构，大量的端基、极 性基团，杂质和双键等存在与晶相与非晶相的界面处，充当电荷陷阱。但它们与空间电荷如 何相互作用，在某些细节上仍然不清楚。 从以上的分析知道，聚合物中空间电荷的问题是非常复杂的，甚至在相同的实验条件下， 因为实验的控制不同，也会有不同的实验结果。这说明在聚合物中空间电荷的研究中，还有 大量的工作要作。基于以上的原因，本文在以下几个方面进行了讨论。 1．介绍所建立的国内第一套固体电介质中空间电荷分布的压电PWP法测试系统。包括 PWP法的测试原理、测试系统的实现以及关于本测试系统相关问题的讨论。并对同一样 品，对用PWP法的测量结果和用PEA法的测量结果进行了比较。 2.通过对纯聚乙烯材料、交联聚乙烯材料以及非完全交联聚乙烯材料在不同的外部环境下 的测试结果的分析，来深入地探讨聚合物中空间电荷的形成、演变与分布以及影响其分 布的外部因素。实验结果表明，聚合物中空间电荷的形成包括两部分：从电极注入的同 号电荷以及因为介质中杂质分解和偶极子取向所形成的异号电荷。研究发现交联剂DCP 和交联残余物是异号电荷形成的重要来源。实验中还发现，位于晶区与非晶区之间的电 荷陷阱是深陷阱的重要来源。空间电荷的形成与分布对温度的依赖性比较敏感。 3.用TSD法测量了交联聚乙烯、非完全交联聚乙烯以及纯聚乙烯空间电荷分布情况，用 分峰的方法求出了电流峰值对应的温度值，并用初期上升法求出了各种空间电荷的活化 能。并对空间电荷中杂质离子与偶极子进行了区分。在交联聚乙烯、非完全交联聚乙烯 和纯聚乙烯样品中，引起TSD电流峰的空间电荷有的是存在于晶区与晶区界面处的， 有的空间电荷是存在于材料的的结晶缺陷，有的与材料中的稳定氧化产物相关。存在于 晶区非晶区界面处的空间电荷陷阱能级较深，陷阱电荷具有较高的活化能。用PWP法 与TSD法联合应用对介质中空间电荷分布情况进行了研究，说明PWP法与TSD法的联 合应用有利于更深入和详尽的研究固体电介质中空间电荷的分布情况。 4．用压电压力波法(PWP)、红外吸收光谱法(IR)以及电场力梯度形貌法(EFM)等对 交联聚乙烯中空间电荷形成与分布进行了研究。压电PWP法测试结果说明在XLPE中， 交联剂和交联残余物以及水分是异号空间电荷形成的重要来源，IR法测试结果说明在 XLPE中，羟基OH、甲基CH3和亚甲基CH2是空间电荷影响比较大的三种基团，正极 性电荷与负极性电荷对基团振动的影响是不同的。受影响比较大的基团的位置总是与结 晶区非晶区的界面有关。对样品极化与恒温处理，能改变样品的化学结构，从而影响样 品中空间电荷的积累。EFM测试结果反映交联聚乙烯能形成直径为0.25μm球晶结构， 在晶区之间的无定型区是空间电荷最容易形成空间电荷积累。 关键词：固体电介质，聚合物，结晶，无定型，陷阱，空间电荷，压力波法,老化与击穿，极化，杂质，偶极子，活化能，基团振动。