片状纳米复合材料直流电压击穿试验：
使用商用 ZJC-100kV 型电压击穿测试仪来测量 XLPE/α-Al2O3 纳米复合材料的直流高压击穿场强。两个直径 200mm 的圆形铜电极用作高压电极和接地电极，以硅油为介质。硅油的作为介质的功能是防止气泡的形成，使得所测量的最终击穿场强是绝缘材料的击穿场强而不是空气的击穿场强。用计算机程序控制以1kV/s 的线性速率升高电压，直到所测试试片发生击穿现象为止，此时记录电压数据以得出 XLPE /α-Al2O3 复合材料的击穿电压。总共包括了 9 个试片，分别是纯 XLPE、XLPE/0.2 wt ％ α-Al2O3、XLPE/0.5 wt ％ α-Al2O3、XLPE/1.0 wt ％α-Al2O3、XLPE/2.0 wt ％ α-Al2O3、XLPE/0.2 wt ％ coated α-Al2O3、XLPE/0.5wt ％ coated α-Al2O3、XLPE/1.0 wt ％ coated α-Al2O3、XLPE/2.0 wt ％ coatedα-Al2O3，每个试片至少进行十次直流电压击穿试验，并通过 Weibull 统计分布对实验数据进行处理和分析。
片状纳米复合材料直流电压击穿试验测试结果：
图 3-5（a）纯 XLPE 和 XLPE/coated α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强的 Weibull 分布图，复合材料中 coated α-Al2O3 的含量分别为 0.2 wt％，0.5 wt％，1.0 wt％和 2.0 wt％。（b）纯XLPE 和 XLPE/uncoated α-Al2O3纳米复合材料的 Weibull 分布图，复合材料中 uncoated α-Al2O3的含量分别为 0.2 wt％，0.5 wt％，1.0 wt％和 2.0 wt％
Figure.3-5(a) Weibull plots comparing the direct current (DC) breakdown strength of pure XLPEand XLPE/α-Al2O3 nanocomposites containing 0.2 wt %, 0.5 wt %, 1.0 wt %, and 2.0 wt %coatedα-Al2O3 and (b) Weibull plots comparing the DC breakdown strength of pure XLPE andXLPE/α-Al2O3 nanocomposites containing 0.2 wt %, 0.5 wt %, 1.0 wt %, and 2.0 wt %uncoatedα-Al2O3。
图 3-5a 是纯 XLPE 试样以及添加了 0.2wt％，0.5wt％，1.0wt％和 2.0wt％表面改性的α-Al2O3 纳米片的 XLPE/coated α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强的Weibull 分布图。从图 3-5a 中我们可以看出，coated α-Al2O3 的添加在不同程度上提高了纯 XLPE 绝缘材料的直流击穿场强。纯 XLPE 试样的直流击穿场强仅为约220 kV/mm，而在 XLPE/coated α-Al2O3 纳米复合材料中，复合材料的直流击穿场强随着 coated α-Al2O3 含量的增加而增加，即使α-Al2O3 含量低至 0.2 wt％时，复合材料的直流击穿场强也显著增加（约为 260 kV/mm）。当 coated α-Al2O3 纳米片的含量达到 1.0 wt ％时，复合材料的击穿场强甚至增加到了最高值（约为320kV/mm），然而，当 coated α-Al2O3 的含量继续增加到 2.0 wt％时，纳米复合材料的直流击穿场强反而降低到 280 kV/mm（低于含量为 0.5 wt％和 1.0 wt％时，但高于含量为 0.2 wt％时）。与其他文献研究成果相比，本实验中 coated α-Al2O3含量为 1.0 wt％的XLPE/coated α-Al2O3 纳米复合材料的击穿场强（320 kV/mm）要远高于参考文献中夹层结构 Al2O3-LDPE/LDPE/Al2O3-LDPE 纳米复合材料的击穿场强（200 kV/mm），但是要比参考文献中聚乙烯/氧化铝纳米复合材料的击穿强度（450 kV/mm）低，但是参考文献中的纯 LDPE 试样的击穿场强就已经达到450 kV/mm，而本实验中纯 XLPE 试样的击穿强度仅为 220kV/mm。因此，在本实验中添加 coated α-Al2O3 纳米片对聚合物基体材料直流击穿场强的提高效果更加显著。
另外，我们还测量了未经表面改性的α-Al2O3纳米片的 XLPE/uncoated α-Al2O3纳米复合材料的直流击穿性能。图 3-6b 即是纯 XLPE 和含有 0.2 wt ％，0.5 wt ％，1.0 wt ％和 2.0 wt ％未经表面改性的α-Al2O3 的 XLPE/uncoated α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强的 Weibull 分布图。通过将其与图 3-6a 比较可以发现，添加uncoated α-Al2O3 也可以改善 XLPE 的直流击穿性能。而且 uncoated α-Al2O3 和coated α-Al2O3 的变化规律基本相同。然而，XLPE/uncoated α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强明显要低于 XLPE/coated α-Al2O3 纳米复合材料的击穿场强，如当α-Al2O3 的含量为 1wt％时，XLPE/coated α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强达到了 320 kV/mm，而 XLPE/uncoated α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强仅为280 kV/mm。这说明了α-Al2O3 纳米片的表面改性可以提高 XLPE/α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强，因为α-Al2O3 的表面改性可以有效防止纳米片的团聚并改善α-Al2O3 纳米片在 XLPE 基体中的分散性，因此改善了纳米复合材料的直流击穿性能。
为什么经过表面改性的α-Al2O3 纳米片能在一定程度上提高纳米复合材料的直流击穿场强？首先，这是因为掺加的 coated α-Al2O3 纳米片是一种本征电绝缘纳米粒子，它的绝缘性能要远远大于 XLPE。其次，coated α-Al2O3 纳米片的添加会使 XLPE 绝缘材料中空间电荷重新分布，从而会导致电场均化，并降低了 XLPE的自由体积。尤为重要的一点是，coated α-Al2O3 纳米片是沿材料试片的厚度方向排列的，所以对电荷的注入和注入电荷传输具有一定的阻挡作用，图 3-6 是这种纳米片对电荷注入和传输的阻挡作用的示意图。因此，coated α-Al2O3 对 XLPE 直流击穿性能的影响与 coated α-Al2O3 纳米片的含量有关。当 coated α-Al2O3 纳米片仅为 0.2 wt ％时，XLPE/coated α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强从 220kV/mm 增加至 260 kV/mm 左右，然后，随着 coated α-Al2O3 纳米片的含量增加，复合材料的直流击穿场强不断增大，当coated α-Al2O3纳米片的含量到达1.0 wt ％时，XLPE/coated α-Al2O3 纳米复合材料的直流击穿场强达到了最大值（320kV/mm），而当 coated α-Al2O3 的含量进一步增至 1 wt ％时，XLPE 的击穿击穿场强迅速降低。coated α-Al2O3 含量增加而直流击穿场强降低的原因是当α-Al2O3含量较高时，纳米颗粒难以均匀地分散在聚合物基体中，从而影响了复合材料的击穿性能。
