تابلوهای برق عایق گاز (GIS) و خطوط انتقال عایق گاز (GIL) اجزای ضروری شبکه‌های برق فشار قوی مدرن هستند. اهمیت آنها ناشی از طراحی فشرده، قابلیت اطمینان عملیاتی بالا و عملکرد ایمن در محیط‌های با فضای محدود است. استفاده روزافزون از GIS/GIL در پست‌های شهری و گره‌های حیاتی شبکه، نیاز به موادی را نشان می‌دهد که ضمن حفظ فضای اشغال شده توسط تجهیزات، مقاومت دی‌الکتریک بالایی را فراهم کنند ^.۱ در این سیستم‌ها، هگزافلورید گوگرد (SF6 ₎ یا مخلوط‌های گازی مبتنی بر SF6 _به عنوان عایق اصلی عمل می‌کنند. در مقابل، فاصله‌دهنده‌های اپوکسی نقش دوگانه‌ای ایفا می‌کنند: آنها هادی‌ها را در موقعیت خود نگه می‌دارند و سطح مشترک دی‌الکتریک گاز-جامد محلی را مدیریت می‌کنند، که به شدت بر توزیع میدان و قابلیت اطمینان عایق تحت تنش الکتریکی تأثیر می‌گذارد ^.۲

اپوکسی مدت‌هاست که ماده‌ی انتخابی برای اسپیسرها در GIS/GIL بوده است، زیرا ترکیبی از مقاومت عایق الکتریکی، استحکام مکانیکی، پایداری شیمیایی و قابلیت قالب‌گیری در هندسه‌های پیچیده را دارد. علاوه بر این، اپوکسی به خوبی با قطعات فلزی پیوند برقرار می‌کند که برای حفظ پایداری الکترومکانیکی مجموعه‌های اسپیسرها ضروری هستند. برای بهبود بیشتر عملکرد آن، محققان نانوکامپوزیت‌های اپوکسی را بررسی کرده‌اند. افزودن نانوفیلرهای معدنی با دقت انتخاب شده می‌تواند قطبش بین سطحی را تنظیم کرده و سطوح انرژی را به دام بیندازد، رشد رسانایی را سرکوب کند و مقاومت در برابر پیری الکتریکی را افزایش دهد، مشروط بر اینکه نوع، بارگذاری و پراکندگی فیلر به خوبی کنترل شود ^{۲ ، ۳ ، ۴} .

تلاش‌های اولیه با استفاده از پرکننده‌های میکرومقیاس مانند SiO₂ و Al₂O₃ در درجه اول بهبود در استحکام مکانیکی و کاهش عدم تطابق انبساط حرارتی در کامپوزیت‌های اپوکسی را هدف قرار دادند. با این حال، این سیستم‌ها تنها دستاوردهای محدودی در عملکرد الکتریکی ارائه دادند. ظهور فناوری نانو از آن زمان پیشرفت‌های متحول‌کننده‌ای را امکان‌پذیر کرده است. نانوپرکننده‌ها شامل SiO₂، Al₂O₃، TiO₂ و ZrO₂ حتی در غلظت‌های پایین نیز برهمکنش‌های بین سطحی قوی از خود نشان می‌دهند که می‌تواند به طور قابل توجهی بر گذردهی دی‌الکتریک (ε′)، تانژانت اتلاف (tan δ)، توزیع تله و استحکام شکست ^۲ تأثیر بگذارد .

عملکرد الکتریکی سیستم‌های اپوکسی نانوپرشده به ترکیب و بارگذاری پرکننده بسیار حساس است. به عنوان مثال، کامپوزیت‌های اپوکسی/SiO₂ در غلظت‌های ۳ تا ۵ درصد وزنی، کاهشی در استحکام شکست جریان مستقیم (DC) نشان دادند، در حالی که سیستم‌های اپوکسی/MgO در غلظت‌های مشابه، بهبود قابل توجهی نشان دادند. نانوکامپوزیت‌های اپوکسی/Al₂O₃ همچنین رفتار شکست بهبود یافته‌ای را نشان دادند که به تشکیل شبکه‌های ذرات با پراکندگی خوب نسبت داده می‌شود که تجمع بار را سرکوب کرده و مسیرهای تخلیه را مختل می‌کنند . ^۳٫ این یافته‌ها اهمیت بهینه‌سازی مورفولوژی و غلظت پرکننده را برجسته می‌کنند، زیرا بارگذاری بیش از حد یا پراکندگی ضعیف می‌تواند منجر به تجمع و تشکیل حفره شود که در نهایت قابلیت اطمینان الکتریکی را به خطر می‌اندازد.

خواص دی‌الکتریک اپوکسی به شدت بر مناسب بودن آن به عنوان یک ماتریس عایق تأثیر می‌گذارد و گزارش‌های متعددی بررسی کرده‌اند که چگونه نانوفیلر‌ها، گذردهی نسبی (ε′)، اتلاف دی‌الکتریک (tan δ) و رسانایی الکتریکی (σ) را تغییر می‌دهند. اپوکسی خالص معمولاً رسانایی بسیار کمی در حدود ۱۰−۱۶ تا ۱۰−۱۵ S m⁻ ۱ و گذردهی نسبی بالایی در فرکانس‌های پایین مانند ۵۰ هرتز نشان می‌دهد ^. هنگامی ^که  سرامیک‌های ^با گذردهی بالا معرفی می‌شوند، بهبودهای قابل توجهی مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، کامپوزیت‌های اپوکسی/BaTiO₃ در کسر حجمی ۰٫۵، مقادیر ε′ بیش از ۴۰ را نشان دادند، در مقایسه با مقادیر کمتر از ۱۰ برای رزین خالص. ^با این حال، این افزایش با تلفات بالاتر همراه است؛ مقادیر tan δ ممکن است در محتوای بالای پرکننده به بالای ۰٫۱ افزایش ^یابد .

در مقابل، نانوپرکننده‌های اکسیدی مانند SiO₂ اغلب ε′، tan δ و σ را در بارگذاری‌های متوسط ^{​​۲ ، ۳ ، ۶} سرکوب می‌کنند . به عنوان مثال، اپوکسی با ۵ درصد وزنی SiO₂ نسبت به سیستم خالص، گذردهی و اتلاف کمتری نشان داد، در حالی که افزایش به ۱۰ درصد وزنی این روند را معکوس کرد و منجر به مقادیر بالاتر شد ^۷٫ این رفتارهای متضاد، اهمیت انتخاب پرکننده و بهینه‌سازی را در تنظیم سیستم‌های عایق مبتنی بر اپوکسی برای الزامات عملکرد الکتریکی خاص برجسته می‌کند.

مطالعات وابسته به فرکانس، امضاهای آرامش مشخصه را بیشتر آشکار می‌کنند، با حداقل tan δ نزدیک به ۱۰ ^{^۲}  هرتز و رشد به سمت محدوده مگاهرتز. اثرات بی‌حرکتی سطحی مشابهی برای Al₂O₃/اپوکسی گزارش شده است، که در آن ε′ به دلیل لایه‌های سطحی سفت و سخت در حدود ۱ درصد وزنی کاهش می‌یابد، در ۲ تا ۴ درصد وزنی افزایش می‌یابد و سپس دوباره فراتر از ۵ درصد ^وزنی کاهش می‌یابد . این روندها نقش دوگانه نانوپرکننده‌ها را برجسته می‌کنند: سرامیک‌های با گذردهی بالا می‌توانند ε′ را به طور قابل توجهی افزایش دهند، در حالی که پرکننده‌های مبتنی بر اکسید تمایل دارند با محدود کردن قطبش سطحی، اتلاف دی‌الکتریک و رسانایی را سرکوب کنند. با این وجود، پاسخ کلی دی‌الکتریک همچنان به نوع پرکننده، غلظت بارگذاری و سازگاری سطحی بسیار حساس است و بهینه‌سازی دقیق برای عملکرد عایق هدفمند را ضروری می‌سازد.

در میان نانوفیلرهای اکسیدی، سیستم‌های مبتنی بر SiO₂، TiO₂ و Al₂O₃ با بهینه‌سازی اندازه ذرات و شیمی سطح، استحکام شکست بهبود یافته و اتلاف دی‌الکتریک کاهش یافته‌ای را نشان داده‌اند. عامل‌دار کردن سطح (به عنوان مثال، با عوامل جفت‌کننده سیلان مانند APTES) با بهبود پراکندگی پرکننده و معرفی گروه‌های شیمیایی که به عنوان تله‌های حامل عمل می‌کنند، عملکرد را بیشتر افزایش می‌دهد. اندازه ذرات نیز بسیار مهم است؛ مطالعات روی نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر TiO₂ نشان داد که نانوذرات کوچکتر در مقایسه با ذرات بزرگتر، استحکام شکست بالاتری دارند که این امر تأثیر مساحت سطح مشترک و آمار نقص را برجسته می‌کند . ^۶

بررسی حرارتی نانوکامپوزیت‌های اپوکسی نشان می‌دهد که اپوکسی خالص معمولاً بین دمای ۳۰۰ تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد تخریب اولیه را تجربه می‌کند و کاهش وزن عمده از دمای ۳۵۰ تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد رخ می‌دهد. افزودن نانوفیلر می‌تواند به طور مؤثر شروع تخریب حرارتی را به تأخیر بیندازد و بازده زغال را افزایش دهد، اگرچه پراکندگی ناکافی ممکن است این مزایا را خنثی کند. کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC) دمای انتقال شیشه (Tg) اپوکسی خالص را در محدوده ۷۲ تا ۹۹ درجه سانتیگراد قرار می‌دهد. مطالعات متعددی نشان داده‌اند که نانوفیلرهایی مانند SiO₂، Al₂O₃، TiO₂ و LDH نه تنها Tg را افزایش می‌دهند، بلکه تغییر ظرفیت گرمایی (ΔCp) را نیز کاهش می‌دهند که نشان‌دهنده تحرک محدود زنجیره پلیمری است. به طور کلی، بهبود حرارتی مشهود است اما به نوع، غلظت و کیفیت پراکندگی پرکننده بسیار وابسته است ^.

نانوفیلر‌های هیدروکسید دوگانه لایه‌ای (LDH) به دلیل مورفولوژی لایه‌ای منحصر به فرد و ترکیب شیمیایی قابل تنظیم، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این ویژگی‌ها امکان مدولاسیون دقیق حالت‌های تله در ماتریس‌های اپوکسی را فراهم می‌کنند و LDH را به عنوان یک افزودنی امیدوارکننده برای سرکوب تجمع بار سطحی و افزایش قابلیت اطمینان دی‌الکتریک در کاربردهای فاصله‌دهنده GIS قرار می‌دهند ^.

مطالعات اخیر، نانوفیلرهای LDH را به عنوان افزودنی‌های چندمنظوره که قادر به بهبود رفتار دی‌الکتریک و حرارتی سیستم‌های اپوکسی هستند، معرفی کرده‌اند. هوان و همکارانش ^۱۰ نشان داده‌اند که ذرات LDH اصلاح‌شده با سیلان، تزریق بار الکترود را سرکوب کرده و با بهینه‌سازی توزیع انرژی تله، اعوجاج میدان را کاهش می‌دهند و در نتیجه قابلیت اطمینان عایق‌بندی را افزایش می‌دهند. به طور مشابه، لیو و همکارانش ^۱۱ کره‌های سیلیکای پوشش داده شده با Mg/Al-LDH را در پوشش‌های اپوکسی ادغام کرده‌اند و به عایق حرارتی برتر و بازدارندگی شعله دست یافته‌اند که پتانسیل چندمنظوره ساختارهای LDH را تأیید می‌کند. علاوه بر این، شواهد تجربی و شبیه‌سازی یکپارچه نشان داده است که نانوفیلرهای Zn/Al-LDH به طور مؤثر تجمع بار سطحی را سرکوب کرده و ولتاژ جرقه را در جداکننده‌های GIS افزایش می‌دهند و بهبود سطح مواد را با قابلیت اطمینان عایق‌بندی سطح سیستم مرتبط می‌کنند ^۱۲٫ با وجود این پیشرفت‌ها، مطالعاتی که معماری نانومیله‌های Zn/Al-LDH مزومتخلخل در ماتریس‌های اپوکسی را بررسی می‌کنند، به ویژه در مورد تأثیر ترکیبی آن بر قابلیت اطمینان دی‌الکتریک، پایداری حرارتی و استحکام شکست که تمرکز اصلی کار حاضر را تشکیل می‌دهد، همچنان کمیاب هستند.

بنابراین، این مطالعه با هدف توسعه مواد عایق مبتنی بر اپوکسی با عملکرد بالا برای کاربردهای GIS و GIL با استفاده از نانومیله‌های هیدروکسید دوگانه لایه‌ای (LDH) مزومتخلخل Zn/Al انجام شده است. این کار بر افزایش قابلیت اطمینان کلی عایق، ترکیب عملکرد دی‌الکتریک و حرارتی برتر با استحکام شکست بهبود یافته تمرکز دارد و در نتیجه به محدودیت‌های ذاتی اپوکسی خالص تحت تنش ولتاژ بالا می‌پردازد و طراحی سیستم‌های عایق نسل بعدی را پیش می‌برد.

اپوکسی پایه مورد استفاده در این کار KEMAPOXY 150 JM (Chemicals for Modern Building International, Giza, Egypt) است، یک اپوکسی مایع دو جزئی و بدون حلال که برای عایق الکتریکی فرموله شده است. این اپوکسی با استانداردهای ASTM D150، ASTM D257 و ASTM D495 مطابقت دارد و چگالی آن در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد ۱٫۱۵ ± ۰٫۰۲ کیلوگرم بر لیتر است. این اپوکسی از دو جزء، اپوکسی A و سخت کننده B، که با نسبت وزنی ۳:۱ مخلوط شده‌اند، تشکیل شده است که عمر مفید تقریبی ۴۵ دقیقه، گیرش اولیه در عرض ۱۰ تا ۱۲ ساعت و عمل آوری کامل پس از ۷ روز را فراهم می‌کند. مشخصات تمام مواد شیمیایی مورد استفاده در این مطالعه در جدول  ۱ فهرست شده است .

تهیه نانوفیلر Zn/Al-LDH

هیدروکسید دوگانه لایه‌ای Zn-Al (Zn-Al-CO₃ LDH) با روش همرسوبی سنتز شد. محلول‌های هم‌مولار نیترات روی [Zn(NO₃)₂، ۰٫۵ مولار] و کلرید آلومینیوم بی‌آب [AlCl₃، ۰٫۵ مولار] با نسبت مولی ۲:۱ تهیه و به مدت ۱۵ دقیقه به صورت مغناطیسی هم زده شدند تا از همگنی آنها اطمینان حاصل شود. سپس محلول ۲ مولار کربنات سدیم به صورت قطره‌ای به مخلوط اضافه شد تا رسوب سفید رنگی در pH 7-8 تشکیل شود. رسوب به دست آمده فیلتر، کاملاً با آب مقطر شسته و به مدت یک شب در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد خشک شد. در نهایت، محصول خشک شده آسیاب و الک شد تا پودر Zn-Al-CO₃ LDH به دست آید. شرح کامل فرآیند تهیه Zn/Al-LDH در شکل  ۱ نشان داده شده است .

عامل‌دار کردن سطح نانوذرات

عامل‌دار کردن سطحی نانوذرات، یک استراتژی مؤثر برای افزایش پراکندگی آنها در ماتریس‌های اپوکسی با کاهش انرژی سطحی و بهبود سازگاری با پلیمر است. برخلاف عملیات فیزیکی که در معرض گرما یا حلال‌ها ناپایدار هستند، اصلاح شیمیایی با استفاده از عوامل اتصال‌دهنده مانند سیلان (APTES) رابط‌های پایدار و بادوامی را فراهم می‌کند، همانطور که در شکل  ۲ نشان داده شده است . این عوامل هم با سطح نانوذرات و هم با زنجیره‌های پلیمری پیوند تشکیل می‌دهند، آب‌دوستی را کاهش می‌دهند و پراکندگی یکنواخت را ارتقا می‌دهند. در نتیجه، عامل‌دار کردن، چسبندگی بین سطحی را بهبود می‌بخشد و خواص توده‌ای نانوکامپوزیت‌ها را تنظیم ^{می‌کند} .

فرآیند عامل‌دار کردن نانوذرات با پخش کردن ۳ گرم از پودر تهیه شده در ۶۰ میلی‌لیتر اتانول در یک بالن ته گرد آغاز شد. سوسپانسیون به مدت ۳۰ دقیقه در دمای ۷۰ درجه سانتیگراد تحت امواج فراصوت قرار گرفت تا کلوخه‌ها متلاشی شده و پراکندگی یکنواخت حاصل شود و پس از آن به مدت ۳۰ دقیقه تحت همان شرایط با سرعت ۵۰۰ دور در دقیقه هم زده شد. متعاقباً محلول ۱۰٪ (وزنی/وزنی) از ۳-آمینوپروپیل تری اتوکسی سیلان APTES در اتانول به صورت قطره‌ای و در حین هم زدن مداوم اضافه شد و مخلوط واکنش به مدت ۵ ساعت نگهداری شد تا پیوند مؤثر مولکول‌های سیلان روی سطوح نانوذرات تقویت شود. پس از اتمام، محصول با فیلتراسیون بازیابی شد، کاملاً با اتانول شسته شد تا سیلان واکنش نداده از بین برود و در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد به مدت یک شب خشک شد که منجر به نانوذرات اصلاح‌شده با سیلان مناسب برای ترکیب در ماتریس اپوکسی ^۱۳ شد .

تهیه نانوکامپوزیت اپوکسی Zn/Al-LDH

نانوکامپوزیت‌های پایه اپوکسی از طریق یک روش چند مرحله‌ای تهیه شدند. در ابتدا، نانوذرات Zn/Al-LDH سنتز شده در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد به مدت یک شب خشک شدند تا رطوبت باقیمانده از بین برود، سپس در اتانول پراکنده شدند و به مدت ۶۰ دقیقه تحت اولتراسونیک قرار گرفتند تا سوسپانسیون یکنواختی حاصل شود. پراکندگی بدست آمده به تدریج به مدت ۲ ساعت تحت هم زدن مداوم به رزین اپوکسی وارد شد و پس از آن یک مرحله اولتراسونیک اضافی (۳۰ دقیقه) و هم زدن مکانیکی (۲ ساعت) برای بهبود همگنی انجام شد. اتانول باقیمانده با گرم کردن مخلوط در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد تا رسیدن به وزن ثابت حذف شد. سپس مخلوط اپوکسی/نانوذرات بدون حلال با نسبت وزنی ۳:۱ با سخت کننده مخلوط شد، به مدت ۳ دقیقه هم زده شد و روی یک صفحه داغ گاززدایی شد تا حباب‌های هوای محبوس شده حذف شوند. در نهایت، مخلوط در قالب‌های از پیش آماده شده ریخته شد و به مدت ۲۴ ساعت در شرایط محیطی پخت شد تا نمونه‌های نانوکامپوزیت بدست آید. یک تصویر شماتیک از مراحل کلیدی آماده‌سازی در شکل  ۳ ارائه شده است .

پس از تهیه نانوذرات Zn/Al-LDH و نانوکامپوزیت‌های رزین اپوکسی در مقادیر مختلف (۱، ۳، ۵ و ۷ درصد وزنی)، مجموعه‌ای از ارزیابی‌های مشخصه‌یابی و عملکرد برای نانومواد و نانوکامپوزیت‌ها انجام شد.

مشخصه‌یابی نانوذرات

مورفولوژی نانوذرات Zn/Al–LDH با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (High Resolution Transmission Electron Microscope) مجهز به پراش الکترونی ناحیه انتخابی (HRTEM/SAED، مدل ۲۱۰۰ Plus، JEOL Ltd.، توکیو، ژاپن) که با ولتاژ ۲۰۰ کیلوولت کار می‌کرد، بررسی شد تا اندازه ذرات، حالت پراکندگی و ساختار کریستالوگرافی تعیین شود. درجه بلورینگی و ترکیب فازی با استفاده از پراش اشعه ایکس (XRD، مدل X’Pert PRO، PANalytical BV، آلملو، هلند) با استفاده از تابش Cu Kα (λ = ۱٫۵۴۰۶ Å)، اسکن شده در محدوده ۲θ از ۵ تا ۷۰ درجه با اندازه گام ۰٫۰۲ درجه مجهز به تابش Cu Kα (λ = ۱٫۵۴۰۶ Å)، که با ولتاژ ۴۰ کیلوولت و جریان ۳۰ میلی‌آمپر کار می‌کرد، تأیید شد. اسکن‌ها در هندسه براگ-برنتانو در محدوده ۲θ از ۵ تا ۷۰ درجه با اندازه گام ۰٫۰۲ درجه و سرعت اسکن ۲ درجه در دقیقه ثبت شدند. علاوه بر این، تمام پارامترهای بافتی نانوذرات سنتز شده از طریق تکنیک جذب و واجذب نیتروژن ارزیابی شدند. اندازه‌گیری‌های مساحت سطح و تخلخل با استفاده از سیستم مساحت سطح شتاب‌یافته و تخلخل‌سنجی Micromeritics ASAP 2020 Plus (شرکت Micromeritics Instrument، نورکراس، جورجیا، ایالات متحده آمریکا) انجام شد.

مشخصه‌یابی نانوکامپوزیت

ریزساختار نانوکامپوزیت‌های اپوکسی Zn/Al–LDH با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (SEM، مدل Quanta 250، شرکت FEI، هیلزبورو، ایالات متحده، مجهز به EDX، Oxford Instruments، Abingdon، انگلستان) برای ارزیابی پراکندگی نانوذرات و ترکیب عنصری مشاهده شد. اندازه‌گیری‌های XRD تکمیلی نیز بر روی کامپوزیت‌ها انجام شد تا هرگونه تغییر ساختاری پس از افزودن پرکننده بررسی شود.

آنالیز حرارتی

رفتار حرارتی فرمولاسیون نانوکامپوزیت بهینه‌شده (مطابق با بارگذاری که بالاترین استحکام شکست را نشان داد) با استفاده از آنالیز گرماوزن‌سنجی (آنالیزگر TGA/DSC، THEMSYS ONE، Setaram Instrumentation، Caluire-et-Cuire، فرانسه) ارزیابی شد. آزمایش‌ها از دمای اتاق تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد با سرعت گرمایش ۱۵ درجه سانتیگراد بر دقیقه تحت جریان نیتروژن انجام شد. TGA برای مطالعه پایداری حرارتی و پروفیل‌های تخریب استفاده شد، در حالی که DSC دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) کامپوزیت‌ها را فراهم کرد _. دومین مرحله گرمایش برای حذف هرگونه اثر حلال باقیمانده یا رطوبت جذب شده استفاده شد. مقادیر جریان حرارتی ثبت شده نسبت به کسر جرمی پلیمر نرمال‌سازی شدند.

خواص دی الکتریک

اندازه‌گیری‌های دی‌الکتریک، شامل گذردهی نسبی (εr ₎ ، تانژانت اتلاف دی‌الکتریک (tan δ) و رسانایی AC، با استفاده از (طیف‌سنج دی‌الکتریک، آنالیزور آلفا-A با رابط Concept 40، Novocontrol Technologies GmbH & Co. KG، مونتابور، آلمان) انجام شد. طیف‌سنجی امپدانس و دی‌الکتریک با استفاده از یک سیستم الکترود صفحه موازی که در داخل سلول نمونه Novocontrol ادغام شده است، انجام شد که پیکربندی استاندارد توصیه شده برای مواد دی‌الکتریک است. دیسک‌های اپوکسی بین دو الکترود صفحه موازی از جنس فولاد ضد زنگ با تماس مکانیکی مستقیم قرار داده شدند. سلول با نرم‌افزار DETACHEM به آنالیزور آلفا-A متصل است. این پیکربندی برای مواد دی‌الکتریک با اتلاف کم مناسب است و کاملاً با مشخصات Novocontrol برای آنالیز دی‌الکتریک پهن باند مطابقت دارد. تمام اندازه‌گیری‌های دی‌الکتریک در دمای اتاق (۲۵ تا ۲۷ درجه سانتیگراد) تحت اتمسفر آزمایشگاه انجام شد. نمونه‌ها درون سلول صفحات موازی قرار داده شدند و قبل از جمع‌آوری داده‌ها، به مدت تقریباً ۱۰ دقیقه اجازه داده شد تا از نظر حرارتی به تعادل برسند، سپس یک تحریک AC ثابت با شدت ۱ Vrms در محدوده فرکانسی ۱۰-۱-۱۰۶ ^هرتز به نمونه‌ها اعمال شد .

قدرت شکست

استحکام شکست جریان متناوب نانوکامپوزیت‌های اپوکسی Zn/Al-LDH با استفاده از (دستگاه تست شکست، مدل Foster 60AF/2، شرکت Megger Ltd.، دوور، انگلستان) که در شکل  ۴ نشان داده شده است، تعیین شد . طبق روش توصیه شده توسط ASTM (D3755-14)، یک نمونه دیسک (۵ سانتی‌متر در ۵ سانتی‌متر) با ضخامت ۱ میلی‌متر بین دو الکترود مسی کروی قرار داده شد و به طور کامل در روغن عایق تمیز در یک دستگاه تست سلول روغنی استاندارد غوطه‌ور شد تا از جرقه سطحی جلوگیری شود. یک ولتاژ سینوسی ۵۰ هرتز اعمال شد و به صورت خطی با سرعت ۵۰۰ ولت بر ثانیه افزایش یافت تا زمانی که شکست دی‌الکتریک رخ دهد. برای اطمینان از قابلیت اطمینان آماری، پانزده تکرار برای هر ترکیب آزمایش شد. داده‌های شکست با استفاده از توزیع وایبل برای ارزیابی قابلیت اطمینان و پراکندگی مقادیر استحکام شکست در بارگذاری‌های مختلف پرکننده تجزیه و تحلیل شدند.

مشخصه‌یابی نانوذرات

برای روشن کردن جامع ویژگی‌های ساختاری، ریخت‌شناسی و بافتی مواد هیدروکسید دوگانه لایه‌ای (LDH) Zn/Al سنتز شده، ترکیبی از تکنیک‌های پیشرفته شناسایی، شامل پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HR-TEM) همراه با پراش الکترون ناحیه انتخاب شده (SAED) و آنالیز ایزوترم جذب-واجذب نیتروژن، به کار گرفته شد.

آنالیز XRD برای بررسی ترکیب فاز کریستالی و ویژگی‌های ساختاری هیدروکسید دوگانه لایه‌ای Zn/Al (LDH) سنتز شده به کار گرفته شد. همانطور که در شکل  ۵ نشان داده شده است ، الگوهای پراش به وضوح تشکیل دو فاز شش ضلعی مجزا را نشان می‌دهند که به صورت Zn _۰٫۶۳ Al _۰٫۳۷ (OH) _۲ (CO3 ₎ ۰٫۱۸۵ _· xH2O ₍ PDF#00-048-1024) و Zn _۰٫۶۱ Al _۰٫۳۹ (OH) _۲ (CO3 ₎ ۰٫۱۹۵ _.xH2O ( PDF#00-048-1025) شناسایی شده‌اند _. این فازها بازتاب‌های پایه و غیرپایه‌ی کاملاً مشخصی را در مقادیر ۲θ برابر با ۱۱٫۷۶° (۰۰۳)، ۲۳٫۵۷° (۰۰۶)، ۳۴٫۶۹° (۰۱۲)، ۳۹٫۲۳° (۰۱۵)، ۴۷٫۰۷° (۰۱۸) و ۶۰٫۴۳° (۱۱۰) نشان می‌دهند که به ترتیب مربوط به فواصل بین لایه‌ای (مقادیر d) 7.53871 Å، ۳٫۷۶۳۲۷ Å، ۲٫۵۸۳۴۲ Å، ۲٫۳۳۹۵۹ Å، ۱٫۹۳۰۶۹ Å و ۱٫۵۲۸۶۷ Å هستند. این بازتاب‌ها وجود یک ساختار لایه‌ای منظم، مشخصه مواد LDH، را تأیید می‌کنند.

تجزیه و تحلیل کمی با استفاده از نرم‌افزار Match! (نسخه ۳٫۱۵) اندازه متوسط ​​کریستالیت‌ها را تقریباً ۳۳٫۷ نانومتر تعیین کرد که نشان‌دهنده دامنه‌های نانوکریستالی است. درجه بلورینگی محاسبه‌شده ۵۰٫۶۵٪ نشان‌دهنده ساختار نیمه‌مرتب است که اغلب برای کاربردهای عایق الکتریکی مفید است. از نظر ساختاری، LDH های Zn-Al-CO₃ از لایه‌های شبه‌بروسیت با بار مثبت، . .(OH) _۲ ]X +، متشکل از کاتیون‌های Zn ^۲⁺ و Al ^۳⁺ ، که توسط آنیون‌های کربنات بین لایه‌ای (CO₃ ^۲⁻ ) و مولکول‌های آب متعادل شده‌اند، تشکیل شده‌اند. ^{۱۴ ، ۱۵ ، ۱۶} . این معماری لایه‌ای (شکل  ۶ ) ذاتاً تحرک حامل‌های بار آزاد را محدود می‌کند و در نتیجه به رسانایی الکتریکی پایین کمک می‌کند، که یک ویژگی مطلوب برای کاربردهای عایق الکتریکی است ^۱۷٫ علاوه بر این، بلورینگی کم و اندازه بلورک‌ها در مقیاس نانو، چگالی بالای مرز دانه‌ها و نقص‌های ساختاری را نشان می‌دهد که به عنوان مراکز پراکندگی الکترون عمل می‌کنند و مانع انتقال بار می‌شوند ^۱۸٫ ترکیب یون‌های Al3 ⁺ استحکام دی‌الکتریک و پایداری حرارتی ماده را افزایش می‌دهد که هر دو پارامترهای حیاتی برای عایق الکتریکی مؤثر هستند ^۱۹ .

آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HR-TEM) نشان می‌دهد که نانوذرات هیدروکسید دوگانه لایه‌ای (LDH) Zn-Al-CO₃ سنتز شده، مورفولوژی عمدتاً فیبری و میله‌ای شکل با ساختارهای درهم‌تنیده دارند که به طور یکنواخت در میدان مشاهده شده توزیع شده‌اند. ذرات لبه‌های کاملاً مشخص و پراکندگی ثابتی را نشان می‌دهند که نشان‌دهنده یک فرآیند سنتز کنترل‌شده است که به طور مؤثر رشد ذرات را تنظیم می‌کند. ابعاد اندازه‌گیری شده این نانوساختارها به طور مداوم زیر ۱۰۰ نانومتر است که ماهیت نانومقیاس آنها را تأیید می‌کند و نسبت سطح به حجم بالایی را نشان می‌دهد. این ویژگی مورفولوژیکی به ویژه برای کاربردهای عایق‌بندی مفید است، جایی که افزایش سطح به بهبود خواص حرارتی و دی‌الکتریک کمک می‌کند ^۲۰ .

برای ارزیابی بیشتر نظم ساختاری نانوذرات، از پراش الکترونی ناحیه انتخاب‌شده (SAED) استفاده شد. الگوهای SAED حاصل، حلقه‌های پراش متحدالمرکز را نشان می‌دهند که از ویژگی‌های بارز مواد پلی‌کریستال است. این حلقه‌ها با صفحات کریستالوگرافی مختلف مطابقت دارند و وجود چندین دامنه کریستالی را در ساختار LDH تأیید می‌کنند ^{۲۱ ، ۲۲٫} با این حال، شدت نسبتاً کم حلقه‌های پراش نشان می‌دهد که این ماده کاملاً کریستالی نیست، بلکه ماهیتی نیمه کریستالی دارد. این بلورینگی متوسط، تعادلی بین انباشتگی لایه‌های منظم و بی‌نظمی ساختاری را نشان می‌دهد. از این رو، نتایج به‌دست‌آمده از تکنیک‌های HR-TEM/SAED (شکل  ۷ ) کاملاً با داده‌های XRD مطابقت دارند.

ایزوترم‌های جذب/واجذب نیتروژن و توزیع اندازه منافذ Zn/Al-CO₃ LDH، همانطور که در شکل  ۸ نشان داده شده است ، به طور سیستماتیک با استفاده از مدل‌های BET و BJH برای ارزیابی ویژگی‌های بافتی آن تجزیه و تحلیل شدند ^{۲۳ ، ۲۴٫} LDH مطابق با طبقه‌بندی IUPAC، ایزوترم نوع IV با حلقه هیسترزیس H3 را نشان داد که نشان‌دهنده ساختار مزومتخلخل با منافذ شکاف مانند است که معمولاً با مواد لایه‌ای مرتبط هستند ^{۲۵ ، ۲۶ ، ۲۷ ، ۲۸} .

این مشاهده کاملاً با پارامترهای مشتق‌شده از BET که در جدول  ۲ فهرست شده‌اند، سازگار است ، جایی که این ماده مساحت سطح ویژه بسیار بالایی معادل ۹۸٫۸۹۳ متر مربع بر گرم و حجم کل منافذ قابل توجه ۰٫۵۲۷۹ سانتی‌متر مکعب بر گرم را نشان می‌دهد ^که  نشان‌دهنده تخلخل ^قابل  دسترس ^{گسترده است} .

توزیع اندازه منافذ BJH که در شکل  ۸a نشان داده شده است ، ماهیت مزومتخلخل این ماده را بیشتر تأیید می‌کند. همانطور که در جدول  ۲ به تفصیل آمده است ، شبکه منافذ در اطراف یک پیک غالب در ۱۸٫۳۸۷ نانومتر متمرکز شده است، با قطر متوسط ​​منافذ ۱۸٫۷۳۸ نانومتر و قطر متوسط ​​منافذ ۲۰٫۲۲۷ نانومتر، که در مجموع منعکس کننده توزیع مزومتخلخل باریک و تک مدی است. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل نمودار t عدم وجود ریزتخلخل را تأیید می‌کند و این موضوع را تقویت می‌کند که LDH سنتز شده کاملاً توسط بافت مزومتخلخل اداره می‌شود.

نکته مهم این است که شکل  ۸b یک مدل شماتیک برای منافذ شکاف مانند ارائه می‌دهد که به طور مفهومی هندسه منافذ مورد انتظار حاصل از داده‌های جذب را نشان می‌دهد.

این ویژگی‌های ساختاری به ویژه برای کاربردهای عایق الکتریکی مفید هستند. مساحت سطح بالا، پراکندگی یکنواخت ذرات LDH را در ماتریس‌های پلیمری تسهیل می‌کند، چسبندگی بین سطحی را افزایش می‌دهد و احتمال تجمع را کاهش می‌دهد، که برای حفظ خواص دی‌الکتریک ثابت بسیار مهم است ^۲۹ .

علاوه بر این، معماری مزومتخلخل ممکن است از طریق افزایش سطح مشترک در تعدیل حامل‌های بار نقش داشته باشد، اگرچه این اثر احتمالاً با مکانیسم‌های دیگری مانند قطبش در مرزهای پرکننده-ماتریس و بهبود نظم ساختاری، هم‌افزایی دارد ^{[۳۰ ، ۳۱ ، ۳۲} ].

حجم قابل توجه منافذ همچنین امکان ترکیب افزودنی‌های کاربردی، مانند بازدارنده‌های شعله یا سرکوب‌کننده‌های رسانا را فراهم می‌کند که می‌توانند برای افزایش پایداری حرارتی و چندمنظوره بودن سیستم عایق تنظیم شوند ^۳۳ . به طور کلی، ویژگی‌های بافتی Zn/Al-CO₃ LDH به عنوان بخشی از یک مجموعه ترکیبی از مکانیسم‌هایی که از افزایش دی‌الکتریک و پایداری پشتیبانی می‌کنند، نقش دارند، نه اینکه به طور مستقل به عنوان عامل اصلی کنترل کننده عمل کنند.

مشخصه‌یابی نانوکامپوزیت‌های اپوکسی

برای بررسی کامل ترکیب فاز، مورفولوژی سطح و پایداری حرارتی نانوکامپوزیت سنتز شده LDH@epoxy، مجموعه‌ای از تکنیک‌های پیشرفته توصیف به طور سیستماتیک به کار گرفته شد. این تکنیک‌ها شامل پراش اشعه ایکس (XRD) برای شناسایی فازهای کریستالی و یکپارچگی ساختاری، میکروسکوپ الکترونی روبشی همراه با طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (SEM/EDX) برای تجزیه و تحلیل دقیق مورفولوژیکی و عنصری، و تجزیه و تحلیل وزن‌سنجی حرارتی/کالریمتری روبشی تفاضلی (TGA/DSC) برای ارزیابی رفتار حرارتی، الگوهای تجزیه و ویژگی‌های جریان گرما بود. این رویکرد چند تکنیکی، درک جامعی از خواص ساختاری و عملکردی ماده را که برای ارزیابی عملکرد آن در کاربردهای عایق بسیار مهم هستند، فراهم کرد.

همانطور که در شکل  ۹ نشان داده شده است ، آنالیز XRD اپوکسی خالص (منحنی سیاه) دو نوار پراش پهن را در اطراف ۲θ ≈ ۲۰° و ۴۴° نشان می‌دهد که مشخصه ماهیت عمدتاً آمورف آن است. این ویژگی‌های پهن، نشان‌دهنده‌ی آرایش مولکولی نامنظم و عدم وجود نظم کریستالی بلندبرد است که نمونه‌ای از سیستم‌های پلیمری ترموست با پیوند عرضی ^۳۴ است .

پس از افزودن ۵ درصد وزنی نانومیله‌های مزومتخلخل Zn/Al-CO3-LDH به ماتریس اپوکسی، الگوی XRD کامپوزیت LDH@epoxy (منحنی نارنجی) تغییرات ساختاری قابل توجهی را نشان می‌دهد. نکته قابل توجه این است که پیک‌های پراش جدید در ۲θ ≈ ۱۱٫۴۷°، ۱۹٫۲۳°، ۲۰٫۶۹°، ۲۲٫۳۷°، ۳۱٫۲۱°، ۳۴٫۵۳°، ۳۹٫۳۵° و ۴۴٫۳۱° ظاهر می‌شوند که در الگوی اپوکسی خالص وجود ندارند. این پیک‌ها نشان‌دهنده وجود دامنه‌های LDH کریستالی (PDF#00-048-1024) هستند و برهمکنش‌های بین سطحی قوی بین LDH و ماتریس اپوکسی را نشان می‌دهند که احتمالاً به دلیل تداخل زنجیره‌های پلیمری یا پیوند شیمیایی است که فاصله شبکه را تغییر می‌دهد ^۳۵ .

ظهور پیک‌های تیزتر و شدیدتر در ترکیب، نشان‌دهنده افزایش نظم ساختاری از ۲۱.۰۸٪ به ۲۸.۹۲٪ است، همانطور که به طور خودکار از طریق تحلیل الگوی کمی با استفاده از نرم‌افزار Match! (نسخه ۳.۱۵) محاسبه شده است.

چنین تغییراتی همچنین ممکن است نشان‌دهنده تنش یا کرنش داخلی در کامپوزیت ^۳۶ باشد که ادغام موفقیت‌آمیز LDH را بیشتر تأیید می‌کند. این پیشرفت‌های ساختاری برای کاربردهای عایق الکتریکی بسیار مهم هستند، زیرا به بهبود رفتار دی‌الکتریک، کاهش تحرک بار از طریق به دام انداختن مؤثر و پایداری حرارتی بیشتر کمک می‌کنند. به طور کلی، نتایج XRD نقش تقویت‌کننده LDH در کامپوزیت‌های اپوکسی را اثبات می‌کند و پتانسیل آن را برای سیستم‌های عایق پیشرفته برجسته می‌کند.

نمودارهای آنالیز وزن‌سنجی حرارتی (TGA) و وزن‌سنجی حرارتی مشتق‌شده (DTG) که در شکل‌های  ۱۰ الف و ب ارائه شده‌اند، رفتارهای حرارتی متمایزی را بین اپوکسی خالص و نانوکامپوزیت اپوکسی حاوی ۵ درصد وزنی Zn/Al-LDH نشان می‌دهند. اپوکسی خالص (شکل  ۱۰ الف) پایداری حرارتی تا تقریباً ۳۰۰ درجه سانتیگراد را نشان می‌دهد، که پس از آن تخریب قابل توجهی بین ۳۴۶ تا ۳۷۰ درجه سانتیگراد آغاز می‌شود. منحنی DTG یک پیک تیز در دمای ۳۷۵ درجه سانتیگراد نشان می‌دهد که نشان‌دهنده حداکثر سرعت از دست دادن جرم است، به طوری که تجزیه اولیه بین ۳۷۰ تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد رخ می‌دهد و در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد حدود ۱۴٪ زغال باقی می‌ماند.

در مقابل، اپوکسی اصلاح‌شده با LDH (شکل  ۱۰ ب) در دمای حدود ۱۷۲ درجه سانتیگراد، یک رویداد کاهش جرم اولیه را نشان می‌دهد که عمدتاً با آزادسازی آب جذب‌شده فیزیکی یا بین‌لایه‌ای و دهیدروکسیلاسیون سطحی جزئی گروه‌های هیدروکسیل با پیوند ضعیف مرتبط است. این رفتار با گزارش‌های قبلی در مورد سیستم‌های حاوی LDH مطابقت دارد، که در آن کاهش جرم اولیه (۵۰-۲۵۰ درجه سانتیگراد) مربوط به دهیدراسیون و تجزیه جزئی فازهای هیدروکسید ^{۱۵ ، ۱۶} است . با وجود این رویداد اولیه، شروع تجزیه اصلی (حدود ۳۳۸ درجه سانتیگراد) و دمای اوج تخریب (۳۷۵ درجه سانتیگراد) با اپوکسی خالص قابل مقایسه باقی می‌مانند. با این حال، باقیمانده زغال نهایی به حدود ۱۷٫۱٪ افزایش می‌یابد که نشان‌دهنده پایداری حرارتی افزایش‌یافته است. این بهبود با اثر سدگری و خواص تقویت‌کننده زغال نانوفیلرهای LDH سازگار است که به تشکیل یک ساختار کامپوزیتی با مقاومت حرارتی بیشتر کمک می‌کند.

گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) یک آنالیز حرارتی استاندارد برای توصیف پلیمر است که جریان گرما به/از یک نمونه را ثبت می‌کند. همزمان، دمای آن تحت یک تخلیه بی‌اثر یا واکنشی برنامه‌ریزی می‌شود. این تکنیک رویدادهای گرمازا و گرماگیر را حل می‌کند؛ دماهای گذار مرتبط (مثلاً گذار شیشه‌ای، ذوب، تبخیر یا تجزیه). برای پلیمرهای آمورف، دمای گذار شیشه‌ای (Tg ₎ تغییر از رفتار شیشه‌ای به لاستیکی/ویسکوز را نشان می‌دهد و با یک مرحله ظرفیت گرمایی (ΔCp) همراه است _. در این کار، همان پروتکل DSC برای اپوکسی خالص و نانوکامپوزیت ۵% Zn/Al-LDH/اپوکسی برای مقایسه Tg و ΔCp اعمال خواهد شد. گرماسنجی روبشی تفاضلی تغییر واضحی را در رفتار گذار شیشه‌ای پس از افزودن نانوفیلر Zn/Al-LDH نشان داد. برای اپوکسی خالص در شکل  ۱۱a ، دمای گذار شیشه‌ای (Tg) در دمای ۹۳٫۵ درجه سانتی‌گراد شناسایی شد که با آسودگی آنتالپی نسبتاً زیادی در حدود ۱۷٫۳ ژول بر گرم همراه بود. این ترکیب نشان‌دهنده تحرک بالای بخش‌های زنجیره پلیمری و محدودیت‌های محدود در شبکه اپوکسی خالص است. در مقابل، نانوکامپوزیت حاوی ۵ درصد وزنی Zn/Al-LDH در شکل  ۱۱b ، Tg به طور قابل توجهی بالاتر از ۱۰۹٫۸ درجه سانتی‌گراد، همراه با آنتالپی آسودگی به طور قابل توجهی پایین‌تر از تنها ۵٫۴ ژول بر گرم را نشان داد. تغییر رو به بالا در Tg _نشان می‌دهد که نانوفیلر، دینامیک بخش‌های زنجیره‌های اپوکسی را محدود می‌کند که با افزایش تعاملات بین سطحی و افزایش چگالی پیوندهای عرضی مؤثر ^{۳۷ ، ۳۸ ، ۳۹} سازگار است .

در عین حال، کاهش قابل توجه ΔH نشان می‌دهد که حرکات زنجیره‌ای مشارکتی کمتری در طول گذار رخ می‌دهد، زیرا پلاکت‌های LDH به عنوان موانعی برای تحرک زنجیره عمل می‌کنند و ساختار شبکه‌ای سفت‌تر را تقویت می‌کنند ^{۳۷ ، ۳۸ ، ۳۹٫} این یافته‌ها نقش هیدروکسیدهای دوگانه لایه‌ای را در بهبود پایداری حرارتی و یکپارچگی ابعادی ماتریس‌های اپوکسی تحت حرارت تأیید می‌کنند.

طبق استاندارد IEC 62271-1، حداکثر دمای عملیاتی مجاز برای هادی که در تماس با ماده فاصله دهنده است، ۱۰۵ درجه سانتیگراد است ^. در این مطالعه، اپوکسی خالص، دمای انتقال حرارتی حدود ۹۳٫۵ درجه سانتیگراد را نشان داد _که کمتر از این آستانه است. با این حال، افزودن ۵ درصد وزنی Zn/Al-LDH به اپوکسی، با موفقیت دمای انتقال حرارتی را به حدود ۱۰۹٫۸ درجه سانتیگراد رساند _و از دستورالعمل IEC فراتر رفت.

شکل  ۱۲ تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM/EDX) از اپوکسی خالص (شکل  ۱۲ الف) و اپوکسی LDH@ (شکل  ۱۲ ب) را نشان می‌دهد. در اپوکسی خالص، سطح نسبتاً صاف و همگن به نظر می‌رسد و هیچ ویژگی معدنی یا فاز ثانویه مشخصی ندارد. فقط چند نقطه روشن پراکنده قابل مشاهده است که به احتمال زیاد به مصنوعات آماده‌سازی یا بقایای سطحی نسبت داده می‌شوند تا اجزای ساختاری واقعی. به طور کلی، این تصویر خلوص ماتریس اپوکسی را تأیید می‌کند و یک مبنای قابل اعتماد برای مقایسه با نانوکامپوزیت ^۴۱ ارائه می‌دهد . در مقابل، تصویر میکروسکوپی اپوکسی LDH@ مورفولوژی سطحی کاملاً متفاوتی را نشان می‌دهد. مناطق روشن و خوشه‌های نامنظم به وضوح در سراسر ماتریس توزیع شده‌اند که مربوط به حضور نانوذرات LDH است. کنتراست افزایش یافته آنها از عدد اتمی بالاتر Zn و Al در مقایسه با زمینه اپوکسی غنی از کربن ناشی می‌شود و در نتیجه پراکندگی الکترونی قوی‌تری را به همراه دارد. وقوع آگلومره‌ها یک ویژگی رایج در سیستم‌های پلیمر-نانوفیلر است که از انرژی سطحی بالای نانوذرات ناشی می‌شود. با این وجود، توزیع کلی ذرات روشن در سراسر سطح، ادغام موفقیت‌آمیز نانوفیلر در اپوکسی را تأیید می‌کند. طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس (EDX) برای تأیید ترکیب عنصری اپوکسی خالص و کامپوزیت اپوکسی/روی-آلومینیوم (LDH)، بررسی وجود آلاینده‌ها و ارائه درصدهای وزنی/اتمی نیمه کمی با خطاهای گزارش شده توسط دستگاه ^۴۲ استفاده شد . طیف EDX برای اپوکسی خالص فقط اجزای پلیمری را نشان می‌دهد، با یک پیک غالب C Kα در ~ ۰٫۲۸ keV و یک پیک ضعیف‌تر O Kα در ~ ۰٫۵۳ keV؛ تجزیه و تحلیل نیمه کمی C = 85.47 wt.% (88.68 at%) و O = 14.53 wt.% (11.32 at%) را نشان می‌دهد که با یک ماتریس آلی سازگار است. پس از افزودن Zn-Al LDH، دو سیگنال اضافی در موقعیت‌های مورد انتظار Zn L (~ 1.01 keV) و Al Kα (~ ۱٫۴۹ keV) ظاهر می‌شوند که ادغام موفقیت‌آمیز نانومیله LDH را تأیید می‌کند. ماتریس هنوز غالب است، اما کسر کربن به ۸۰٫۲۳ درصد وزنی کاهش می‌یابد، همراه با افزایش اکسیژن به ۱۷٫۹۲ درصد وزنی که با سطح LDH غنی از هیدروکسیل سازگار است. مقادیر کمی از Zn = 1.18 درصد وزنی (۰٫۲۳ at%) و Al = 0.68 درصد وزنی (۰٫۳۲ at%) شناسایی می‌شوند. عدم قطعیت بیشتر در مورد Zn (18.19%) نشان دهنده غلظت پایین آن و جذب بالاتر ناحیه کم انرژی است. هیچ عنصر خارجی در بالای پس‌زمینه مشاهده نشد، که نشان دهنده یک کامپوزیت تمیز است و وجود Zn/Al-LDH را در اپوکسی تأیید می‌کند.

تغییرات در محتوای C و O بین نمونه‌های اپوکسی خالص و LDH@epoxy کاملاً با ترکیب مورد انتظار پرکننده LDH غنی از اکسیژن در ماتریس پلیمری سازگار است. کاهش اندک کربن (از ۸۵٫۴۷ به ۸۰٫۲۳ درصد وزنی) و افزایش متناظر اکسیژن (از ۱۴٫۵۳ به ۱۷٫۹۲ درصد وزنی) نشان دهنده وجود نانوصفحات هیدروکسیله شده Zn-Al-LDH است که حاوی گروه‌های OH فراوان و پیوندهای اکسیژن فلزی هستند.

عملکرد دی‌الکتریک نانوکامپوزیت‌های اپوکسی

بخش بعدی سه ویژگی دی‌الکتریک ضروری کامپوزیت‌های اپوکسی شامل چهار غلظت مختلف نانوذرات Zn/Al-LDH را ارزیابی می‌کند: گذردهی نسبی، تانژانت اتلاف (tan δ) و رسانایی الکتریکی.

گذردهی نسبی

رفتار وابسته به فرکانس گذردهی نسبی (ε′) برای نانوکامپوزیت‌های اپوکسی پر شده با درصدهای وزنی مختلف Zn/Al-LDH، در هر نقطه فرکانسی، پاسخی غیریکنواخت نشان می‌دهد که نشان‌دهنده تعامل پیچیده بین قطبش سطح مشترک، پراکندگی پرکننده، دینامیک زنجیره پلیمری و تشکیل ساختار سطح مشترک نانو است. برعکس، همانطور که در شکل  ۱۳ نشان داده شده است ، برای هر درصد وزنی ε′، با افزایش فرکانس، روند کاهشی یکنواختی معمول را نشان می‌دهد.

در فرکانس‌های پایین، اجزای دوقطبی درون ماتریس پلیمری زمان کافی برای جهت‌گیری خود در پاسخ به میدان الکتریکی متناوب دارند. این هم‌ترازی با قطبیت متغیر میدان منجر به مقادیر بالاتر گذردهی نسبی می‌شود. با این حال، با افزایش فرکانس، دوقطبی‌ها دیگر نمی‌توانند از معکوس شدن سریع میدان پیروی کنند و باعث از دست رفتن تدریجی همدوسی قطبش و در نتیجه کاهش گذردهی نسبی با فرکانس می‌شوند.

با این حال، می‌توان سهم جزئی از قطبش بین سطحی (ماکسول-واگنر-سیلارز) را در فرکانس‌های پایین، که در آن تجمع بار در سطوح مشترک پرکننده-ماتریس را نمی‌توان نادیده گرفت، انتظار داشت. این تفسیر با مدل ارائه شده توسط شیا و همکارانش سازگار است که رابطه معکوس بین گذردهی نسبی بین سطحی (ماکسول-واگنر-سیلارز) و فرکانس را نشان می‌دهد که ناشی از تجمع بار در مرزهای پرکننده-ماتریس در نانوکامپوزیت‌های پلیمری ناهمگن ^{۴۳ است} .

تأثیر غلظت پرکننده بر ε′، پاسخ دی‌الکتریک ظریفی را نشان می‌دهد. در غلظت‌های پایین، ۱ و ۳ درصد وزنی Zn/Al-LDH، گذردهی الکتریکی در مقایسه با اپوکسی خالص کمی افزایش یافته است، که می‌تواند به بهبود پراکندگی و تشکیل نواحی بین سطحی که به طور مثبت در فرآیند قطبش نقش دارند، نسبت داده شود. این نواحی بین سطحی به عنوان مناطق غنی از دوقطبی عمل می‌کنند و امکان هم‌ترازی بیشتر با میدان الکتریکی اعمال شده را فراهم می‌کنند و در نتیجه قابلیت ذخیره‌سازی دی‌الکتریک خالص را افزایش می‌دهند . ^۴

در ۵ درصد وزنی، کاهش قابل توجهی در گذردهی الکتریکی مشاهده می‌شود. این کاهش در درجه اول با تشکیل نانولایه‌های بی‌حرکت، که نواحی پلیمری سفت و سختی هستند که ذرات LDH را احاطه کرده‌اند، مرتبط است. این لایه‌ها تحرک زنجیره‌های پلیمری را سرکوب کرده و جهت‌گیری دوقطبی‌های مجاور را مهار می‌کنند و به طور موثر توانایی ماده را در ذخیره انرژی الکتریکی کاهش می‌دهند. وجود چنین نواحی بی‌حرکتی، نشان‌دهنده شروع سفتی بین سطحی است که مزایای قطبش ایجاد شده در غلظت‌های پایین‌تر را خنثی می‌کند ^{۴ ، ۷٫ اثرات بی‌حرکتی بین سطحی مشابهی در نانوکامپوزیت‌های LDH/پلیمر گزارش شده است، که در آن دینامیک قطعه‌ای کاهش یافته در نزدیکی لایه‌های LDH منجر به پاسخ دی‌الکتریک پایین‌تر ۴۴} می‌شود .

در ۷ درصد وزنی، گذردهی الکتریکی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و به طور قابل توجهی کمتر از اپوکسی خالص می‌شود. این کاهش نشان دهنده تجمع گسترده پرکننده و غالب بودن ساختارهای نانولایه بی‌حرکت است. برای ارائه توصیف کیفی و کمی دقیق‌تر از رفتار تجمع در ۷ درصد وزنی، یک تصویر میکروسکوپ الکترونی (SEM) همانطور که در شکل  ۱۴ نشان داده شده است، انجام شد که به وضوح وجود تجمعات متراکم با مورفولوژی نامنظم و پراکندگی ضعیف بین ذرات را نشان می‌دهد. خوشه‌های مشاهده شده اندازه‌هایی از تقریباً ۱ تا ۶ میکرومتر را نشان می‌دهند که تقریباً ۳۰٪ از میدان دید را اشغال می‌کنند (شکل  ۱۴ ).

تجمع مشاهده‌شده، مساحت سطح مشترک مؤثر را کاهش می‌دهد و منجر به توزیع غیریکنواخت پرکننده و ناهمگنی دی‌الکتریک می‌شود. علاوه بر این، محتوای بالای پرکننده، وسعت و پیوستگی نواحی بی‌حرکت را تقویت می‌کند و در نتیجه پاسخ دوقطبی را به حجم‌های بزرگتری از ماتریس محدود می‌کند. در نتیجه، سهم دی‌الکتریک از ماتریس و پرکننده به شدت کاهش می‌یابد ^.۷

خواص ذاتی ساختار LDH، به ویژه Zn/Al-LDH، نقش محوری در شکل‌دهی به این رفتار دی‌الکتریک ایفا می‌کنند. ماهیت لایه‌ای و یونی ذرات LDH آنها را ذاتاً قطبی می‌کند و در غلظت‌های متوسط، قطبش بین سطحی را ترجیح می‌دهد. با این حال، سطوح آبدوست آنها و تمایل به تشکیل پیوندهای هیدروژنی با ماتریس پلیمری، تشکیل لایه‌های بی‌حرکت محکم را تقویت می‌کند. این شیمی منحصر به فرد بین سطحی، در حالی که در ابتدا برای قطبش مفید است، در بارگذاری‌های بالاتر به دلیل محدودیت بیش از حد تحرک مولکولی مضر می‌شود. برخلاف پرکننده‌های کروی، LDHها توزیع میدان ناهمسانگرد و برهمکنش‌های الکترواستاتیک قوی‌تری را در سطح مشترک ایجاد می‌کنند. این ویژگی‌ها، بی‌حرکتی دوقطبی را افزایش داده و توسعه سریع مناطق بین سطحی سفت و سخت را تسهیل می‌کنند، به خصوص با افزایش نزدیکی ذرات ^۹ .

قهوه‌ای مایل به زرد (δ)

تانژانت اتلاف دی‌الکتریک، tan(δ)، یک پارامتر حیاتی است که تأخیر فاز بین میدان الکتریکی و پاسخ قطبش را کمّی می‌کند و به طور مؤثر نسبت انرژی تلف شده به صورت گرما در یک ماده دی‌الکتریک را اندازه‌گیری می‌کند. برای نانوکامپوزیت‌های اپوکسی حاوی بارگذاری‌های مختلف هیدروکسید دوگانه لایه‌ای Zn/Al (LDH)، رفتار وابسته به فرکانس tan(δ) اطلاعات ضروری در مورد آرامش دی‌الکتریک، پدیده‌های بین سطحی و تعادل بین گذردهی الکتریکی و اتلاف انرژی را آشکار می‌کند. در سراسر محدوده فرکانس، همانطور که در شکل  ۱۵ نشان داده شده است ، همه نمونه‌ها یک منحنی tan(δ) U شکل را نشان می‌دهند، با مقادیر بالاتر در هر دو فرکانس پایین و بالا و یک حداقل مشخص در محدوده میانی (تقریباً ۱۰-۱۰۳ ^هرتز  ).

در فرکانس‌های بسیار پایین (زیر ۱ هرتز)، مواد دی‌الکتریک، به ویژه نانوکامپوزیت‌های پلیمری، افزایش قابل توجهی در اتلاف دی‌الکتریک (tan δ) نشان می‌دهند. این رفتار در درجه اول به سه مکانیسم نسبت داده می‌شود: اتلاف رسانایی به دلیل رانش بارهای آزاد یا ناخالصی تحت میدان با تغییر آهسته؛ قطبش بین سطحی (اثر ماکسول-واگنر-سیلارس) ناشی از عدم تطابق گذردهی و رسانایی بین پرکننده و ماتریس، که منجر به تجمع بار در سطوح مشترک می‌شود؛ و واهلش بار فضایی، که در آن بارهای به دام افتاده در اعماق به تدریج به میدان اعمال شده پاسخ می‌دهند. این اثرات ترکیبی منجر به اتلاف انرژی بیشتر و افزایش ضرایب اتلاف در رژیم فرکانس پایین ^۴۵ می‌شود .

این رفتار مشخصه، اثرات ترکیبی قطبش بین سطحی در فرکانس‌های پایین و تلفات ناشی از لایه‌های بی‌حرکت در فرکانس‌های بالاتر را منعکس می‌کند. ناحیه میانی مربوط به فرکانس‌هایی است که در آن‌ها مکانیسم‌های قطبش به طور مؤثر با میدان اعمال شده همسو هستند و منجر به مقادیر تانژانت تلفات پایین‌تری می‌شوند.

افزودن نانوفیلر Zn/Al-LDH با تمام وزن‌ها، مقدار tan(δ) را در ناحیه فرکانس پایین زیر ۲۰۰ هرتز، جایی که قطبش بین سطحی غالب است، افزایش می‌دهد. علاوه بر این، قابل توجه است که سرعت حذف این اثر توسط کامپوزیت با کاهش وزن نانوفیلر افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، افزودن نانوفیلر عملکرد بهتری را در ناحیه فرکانس بالا نشان می‌دهد، جایی که ۱، ۳ و ۵ درصد وزنی، تلفات کمتری نسبت به اپوکسی خالص ^۴ نشان می‌دهند .

افزودن یک مرجع عمودی در فرکانس ۵۰ هرتز، که مربوط به فرکانس برق استاندارد در سیستم‌های الکتریکی AC است، زمینه عملی برای تجزیه و تحلیل تلفات دی‌الکتریک فراهم می‌کند. مقادیر tan(δ) در این فرکانس، که برای هر غلظت پرکننده استخراج شده‌اند، تنها تغییرات جزئی را در تمام نمونه‌ها نشان می‌دهند. در حالی که افزایش‌های جزئی با محتوای Zn/Al بالاتر، به ویژه در ۵ درصد وزنی و ۷ درصد وزنی، مشاهده می‌شود، تغییرات متوسط ​​​​و در محدوده تلرانس‌های طراحی قابل قبول برای مواد عایق ولتاژ بالا هستند.

رسانایی

رسانایی الکتریکی یک پارامتر حیاتی در ارزیابی قابلیت عایق‌بندی مواد پلیمری است. برای کاربردهای ولتاژ بالا، به ویژه تحت میدان‌های متناوب یا شرایط سوئیچینگ سریع، ماده باید رسانایی بسیار کمی را در یک محدوده فرکانسی وسیع نشان دهد تا تلفات انرژی به حداقل برسد و از نشت جریان جلوگیری شود. بنابراین، تجزیه و تحلیل رسانایی وابسته به فرکانس، یک ابزار تشخیصی قدرتمند برای ارزیابی یکپارچگی دی‌الکتریک نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر اپوکسی است که در معرض چنین تنش‌های عملیاتی قرار دارند.

رسانایی AC را می‌توان با استفاده از معادله ( ۱ ) از قسمت موهومی گذردهی مختلط استخراج کرد :

که در آن: σ′ بخش حقیقی رسانایی [S/cm]، ε₀ گذردهی خلأ (۸٫۸۵۴ × ۱۰⁻ ^۱۲  F/m)، ε″ بخش موهومی گذردهی و ω = ۲πf فرکانس زاویه‌ای است.

شکل  ۱۶ وابستگی فرکانسی بخش حقیقی رسانایی AC (σ′) را برای اپوکسی خالص و نانوکامپوزیت‌های اپوکسی Zn/Al-LDH در مقادیر مختلف پرکننده (۱ تا ۷ درصد وزنی) نشان می‌دهد که در مقیاس لگاریتمی-لگاریتمی رسم شده است.

در ناحیه فرکانس پایین تقریباً تا ۱۰۰ هرتز، رسانایی تقریباً ثابت می‌ماند و یک فلات مسطح را نشان می‌دهد. این رفتار مربوط به غلبه رسانایی DC است که در این مورد بسیار کم است و از ۱۰ تا ۱۵ تا ۱۰ تا ۱۳ زیمنس بر سانتی‌متر متغیر است ^چنین رسانایی ^حداقلی  تضمین می‌کند که کامپوزیت به عنوان یک عایق کامل تحت میدان‌های استاتیک یا با تغییرات آهسته رفتار کند، که یک ویژگی بسیار مطلوب برای سیستم‌های عایق فشار قوی است ^{. ۴}σ

با مقایسه بارگذاری‌های مختلف، رسانایی DC در فرکانس‌های پایین و متوسط ​​تا ۳ درصد وزنی کمی افزایش می‌یابد که به تشکیل مسیرهای انتقال بار اضافی و قطبش سطحی افزایش یافته نسبت داده می‌شود. فراتر از این غلظت، σ’ کاهش می‌یابد، به ویژه برای نمونه ۷ درصد وزنی که کمترین رسانایی را در کل محدوده فرکانس نشان می‌دهد. این کاهش با تجمع نانومیله‌های LDH مرتبط است که همگنی ماتریس را مختل کرده و حرکت حامل‌ها را محدود می‌کند.

در ناحیه فرکانس میانی و بالا، شروع پراکندگی در این ناحیه رخ می‌دهد که نشان‌دهنده گذار از رفتار مستقل از فرکانس به رفتار وابسته به فرکانس است. σ′ برای همه نمونه‌ها افزایش تدریجی را نشان می‌دهد، که با قانون توان جهانی جونشر سازگار است. این رفتار نشان می‌دهد که رسانایی عمدتاً توسط پرش یا تونل‌زنی حامل‌های بار بین حالت‌های موضعی در شبکه پلیمر-پرکننده ^۴ کنترل می‌شود .σσ

نکته مهم این است که حتی در این رژیم، رسانایی در یک پنجره امن (معمولاً زیر ۱۰-۸ زیمنس بر سانتی‌متر) باقی می‌ماند ^و  رفتار عایق‌بندی عالی را حفظ می‌کند.

نمودار رسانایی کلی، طبقه‌بندی نانوکامپوزیت‌های اپوکسی آزمایش‌شده را به عنوان مواد عایق با کارایی بالا قویاً تأیید می‌کند. حداقل σ_DC که فرکانس عملیاتی ۵۰ هرتز را در سیستم‌های GIS پوشش می‌دهد، و رفتار ایمن فرکانس بالای مربوط به فرکانس‌های اضافه ولتاژ، همگی به قابلیت اطمینان این ماده در محیط‌های ولتاژ بالا کمک می‌کنند. این یافته‌ها برای استقرار در GIS، GITL و سایر سیستم‌های عایق پیشرفته که نیاز به پایداری در طیف وسیعی از فرکانس‌ها دارند، بسیار دلگرم‌کننده هستند.

عملکرد استحکام شکست نانوکامپوزیت‌های اپوکسی

نمونه‌های اپوکسی در حالت خالص (خالص) و همچنین با نانوفیلر Zn/Al-LDH در مقادیر ۱%، ۳%، ۵% و ۷% وزنی ارزیابی شدند. برای هر فرمولاسیون، ۱۵ نمونه جداگانه آزمایش شدند. نمودار جعبه‌ای نشان داده شده در شکل  ۱۷ ، توزیع مقادیر استحکام شکست را نشان می‌دهد و به وضوح میانه را نشان می‌دهد. مقادیر پرت طبق معیار ۱٫۵ × IQR توکی شناسایی شدند، که در آن دامنه بین چارکی (IQR) نشان دهنده تفاوت بین چارک سوم (Q3) و اول (Q1) است. طبق این معیار، هیچ مقدار اندازه‌گیری شده‌ای به عنوان داده پرت یافت نشد.

خلاصه آماری در جدول  ۳ ، افزایش غیرخطی در BDS با افزایش غلظت Zn/Al را نشان می‌دهد. به طور خاص، اپوکسی خالص مقدار میانگین ۳۰٫۰۸ کیلوولت بر میلی‌متر با انحراف معیار ۰٫۹۱ را نشان داد. افزودن ۱ درصد وزنی Zn/Al میانگین BDS را به ۳۳٫۹۰ کیلوولت بر میلی‌متر افزایش داد و افزودن ۳ درصد وزنی Zn/Al این مقدار را به ۳۶٫۰۶ کیلوولت بر میلی‌متر بهبود بخشید. حداکثر BDS در ۵ درصد وزنی مشاهده شد و به ۳۷٫۴۲ کیلوولت بر میلی‌متر رسید، که پس از آن کاهش قابل توجهی در ۷ درصد وزنی رخ داد و به ۲۹٫۶۸ کیلوولت بر میلی‌متر کاهش یافت که حتی کمتر از اپوکسی خالص است. این روند نشان می‌دهد که بارگذاری بهینه نانوفیلر بین ۳ تا ۵ درصد وزنی، استحکام دی‌الکتریک را به حداکثر می‌رساند.

ضریب تغییرات (CV) نیز همین نتیجه‌گیری را تأیید می‌کند. نمونه ۵ درصد وزنی نه تنها بالاترین میانگین BDS را داشت، بلکه CV پایین ۲٫۶۴٪ را نیز حفظ کرد که نشان‌دهنده رفتار شکست بسیار پایدار و تکرارپذیر است. رفتار مشاهده شده را می‌توان بر اساس قطبش بین سطحی، کیفیت پراکندگی پرکننده و نواحی بین سطحی بی‌حرکت، که با داده‌های گذردهی الکتریکی سازگار است، توجیه کرد. در غلظت‌های پایین پرکننده (۱ تا ۳ درصد وزنی)، BDS بهبود یافته به تشکیل نواحی بین سطحی با پراکندگی خوب بین ذرات Zn/Al-LDH و ماتریس پلیمری نسبت داده می‌شود. این نواحی، قطبش دی‌الکتریک را افزایش داده، شدت میدان الکتریکی محلی را سرکوب کرده و مکان‌های به دام انداختن بار را در سطوح مشترک پرکننده پلیمری ایجاد می‌کنند که بارهای تزریق شده را به دام می‌اندازند و کانال‌های جریان پیوسته مسئول انتشار شکست را مختل می‌کنند.

این تفسیر با افزایش اندک ε′ در ۳ درصد وزنی و مقادیر متوسط ​​tan(δ) پشتیبانی می‌شود که نشان‌دهنده ذخیره‌سازی انرژی کارآمد با حداقل اتلاف دی‌الکتریک است.

در غلظت ۵ درصد وزنی Zn/Al، به نظر می‌رسد کامپوزیت به تعادل بهینه می‌رسد. تحلیل گذردهی الکتریکی تأیید می‌کند که اگرچه ε′ کمی کاهش می‌یابد، اما کاهش جزئی ε″ و tan(δ) در این غلظت نشان می‌دهد که نانولایه‌های تثبیت‌شده تشکیل‌شده در اطراف پرکننده‌ها به عنوان تله‌های بار عمیق عمل می‌کنند و توزیع میدان داخلی را تثبیت کرده و مقاومت در برابر شکست را افزایش می‌دهند.

علاوه بر این، ماهیت ذاتی Zn/Al به عنوان یک هیدروکسید دوگانه لایه‌ای (LDH) این اثرات را بیشتر تقویت می‌کند. ساختار لایه‌ای LDHها، مساحت سطح مشترک بالایی را فراهم می‌کند که پیوند هیدروژنی قوی با ماتریس اپوکسی را تسهیل کرده و تشکیل نانولایه‌های سطح مشترک بی‌حرکت را افزایش می‌دهد. این ویژگی‌ها نه تنها قطبش سطح مشترک را در غلظت‌های متوسط ​​افزایش می‌دهند، بلکه چگالی تله سطح مشترک و ظرفیت نگهداری بار را نیز افزایش می‌دهند . ^۹

قطبش بین سطحی، با توزیع مجدد میدان الکتریکی و ایجاد نواحی موضعی تجمع بار در سطح مشترک ماتریس پرکننده، به دام انداختن بار و کاهش تنش الکتریکی موضعی را تسهیل می‌کند. در بارگذاری‌های بهینه پرکننده، این امر غلظت میدان را کاهش داده و شکست را به تأخیر می‌اندازد. با این حال، قطبش بیش از حد بین سطحی به دلیل تجمع یا محتوای بالای پرکننده می‌تواند منجر به تشدید میدان موضعی شود.

نمودارهای هیستوگرام ارائه شده در شکل  ۱۸ ، تجسم آماری واضحی از اندازه‌گیری‌های مقاومت شکست (BDS) برای همه فرمولاسیون‌های اپوکسی و نانوکامپوزیت Zn/Al-LDH ارائه می‌دهند. این توزیع‌ها، بینش‌های مهمی در مورد تکرارپذیری، پایداری و تغییرپذیری ذاتی داده‌های تجربی ارائه می‌دهند و در نتیجه، اعتبار تحلیل قابلیت اطمینان وایبل بعدی را تأیید می‌کنند.

در تمام نمونه‌ها، هیستوگرام‌ها توزیع‌های تک‌وجهی و خوش‌تعریفی را نشان می‌دهند که نشان می‌دهد مقادیر BDS حول یک گرایش مرکزی غالب با پراکندگی محدود جمع می‌شوند. این رفتار نشان‌دهنده درجه بالایی از ثبات اندازه‌گیری است و نشان می‌دهد که نمونه‌های درون هر فرمولاسیون به شیوه‌ای آماری یکنواخت پاسخ می‌دهند. پروفایل‌های فرکانسی همچنین عدم وجود داده‌های پرت شدید یا پیک‌های ثانویه نامنظم را نشان می‌دهند که نشان می‌دهد فرآیند ساخت، نمونه‌هایی با رفتار شکست تکرارپذیر به دست داده است. چنین توزیع‌های خوش‌رفتاری در مطالعات دی‌الکتریک ولتاژ بالا ضروری هستند، زیرا تأیید می‌کنند که بهبودهای مشاهده‌شده ذاتی سیستم ماده هستند و نه ناشی از نوسانات تجربی تصادفی.

علاوه بر این، فشردگی هیستوگرام‌ها برای بارگذاری بهینه پرکننده، نشان‌دهنده کاهش تغییرپذیری تصادفی است که معمولاً با نقص‌های ریزساختاری و نقاط ضعف موضعی مرتبط است. این مشاهده، این فرضیه را تقویت می‌کند که ترکیب Zn/Al-LDH در غلظت‌های متوسط، پراکندگی یکنواخت‌تری را ایجاد می‌کند و به ایجاد یک شبکه دی‌الکتریک قوی‌تر که قادر به حفظ میدان‌های الکتریکی بالاتر قبل از شکست است، کمک می‌کند.

توزیع وایبول

تحلیل وایبول نقش مهمی در تفسیر داده‌های مقاومت شکست دی‌الکتریک (BDS)، به‌ویژه برای مواد عایق پلیمری، ایفا می‌کند. این تحلیل درک عمیق‌تری از توزیع رویدادهای شکست ارائه می‌دهد: پارامتر شکل (β) پراکندگی داده‌ها را منعکس می‌کند و نشان‌دهنده یکنواختی و ثبات شکست است. در مقابل، پارامتر مقیاس (α) معیاری از مقاومت شکست مشخصه را ارائه می‌دهد که در آن انتظار می‌رود ۶۳٫۲٪ از نمونه‌ها شکست بخورند.

تابع توزیع تجمعی وایبل دو پارامتری توسط معادله ( ۲ ) داده شده است:

که در آن: F(x) احتمال تجمعی شکست در سطح تنش x است، α پارامتر مقیاس است که استحکام شکست را توصیف می‌کند که در آن انتظار می‌رود ۶۳٫۲٪ از نمونه‌ها شکست بخورند، و β پارامتر شکل است که یک پارامتر بدون بعد است که پراکندگی و حالت شکست را نشان می‌دهد.

برای خطی‌سازی معادله و فعال کردن تفسیر گرافیکی، اغلب از فرم لگاریتمی دوگانه استفاده می‌شود:

این تبدیل امکان برازش خط مستقیم را بر روی نمودار ln(x) در مقابل ln [-ln (1-F)] فراهم می‌کند، که در آن شیب نشان دهنده β و عرض از مبدا با − βln(α) مرتبط است. برای اعمال توزیع وایبول دو پارامتری بر روی داده‌های قدرت شکست، ابتدا مقادیر اندازه‌گیری شده به ترتیب صعودی مرتب می‌شوند. سپس احتمال تجمعی شکست برای هر مقدار رتبه‌بندی شده با استفاده از فرمول تقریب بنارد ( ۵ ) تخمین زده می‌شود، سپس با رسم فرم لگاریتمی دوگانه (۳)، یک خط مستقیم به دست می‌آید که شیب آن نشان دهنده پارامتر شکل β است، در حالی که پارامتر مقیاس α از عرض از مبدا همانطور که در معادله (۴) نشان داده شده است، مشتق می‌شود :

که در آن: i رتبه مقدار x _i از ۱ تا n و n تعداد کل نقاط داده است.

برای ارزیابی میزان تطابق منحنی وایبل با نقاط داده واقعی، ضریب تعیین R2 ^برای هر مجموعه داده محاسبه می‌شود. مقادیر R2 ^{به‌دست‌آمده} برای همه نمونه‌ها در محدوده یا بالاتر از آستانه پذیرفته‌شده عمومی برای تطابق آماری خوب (≥ ۰٫۹۰) قرار می‌گیرند که مناسب بودن مدل وایبل را در نمایش رفتار شکست تأیید می‌کند. همه فرمولاسیون‌ها خطی بودن قوی نشان دادند، به‌جز نمونه ۷ درصد وزنی Zn/Al-LDH که مقدار R2 به‌طور قابل‌توجهی پایین‌تری (۰٫۸۷۷) نشان داد ^، که احتمالاً به دلیل تجمع نانوفیلر و افزایش تنوع در عملکرد دی‌الکتریک است.

علاوه بر این، خلاصه پارامترهای وایبل در جدول  ۴ نشان می‌دهد که افزودن نانوفیلر Zn/Al باعث افزایش قابل توجه عملکرد دی‌الکتریک، به ویژه در غلظت ۵ درصد وزنی می‌شود. پارامتر مقیاس α به طور قابل توجهی از مقدار پایه آن در اپوکسی خالص افزایش یافته است، که نشان می‌دهد بیشتر رویدادهای شکست در نانوکامپوزیت در سطوح میدان الکتریکی بالاتر رخ داده است. این با مشاهده تجربی بهبود مقاومت دی‌الکتریک سازگار است. به طور مشابه، پارامتر شکل β با افزودن ۱٪، ۳٪ و ۵٪ Zn/Al افزایش یافته است، که نشان دهنده کاهش تغییرپذیری و رفتار شکست همگن‌تر است، که احتمالاً به دلیل توزیع بهتر میدان و تعامل سطح مشترک است.

با این حال، در ۷ درصد وزنی، α کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده‌ی افت کیفیت عایق است. این رفتار به تجمع احتمالی ذرات نانوفیلر اضافی نسبت داده می‌شود که ممکن است باعث افزایش میدان موضعی و ایجاد حفره‌های ریز شود و به عنوان محل‌های شکست زودرس عمل کند. این توضیح توسط تجزیه و تحلیل گذردهی الکتریکی قبلی پشتیبانی می‌شود، که نشانه‌هایی از اشباع قطبش بین سطحی و افزایش تلفات دی‌الکتریک در غلظت‌های بالاتر را نشان می‌دهد، که نشان‌دهنده‌ی محدودیتی در نقش مفید بارگذاری فیلر است.

مقدار بالای پارامتر شکل β نباید به عنوان قابلیت اطمینان بهبود یافته یا عملکرد عایق برتر تفسیر شود. در عوض، این نشان دهنده این واقعیت است که برای کامپوزیت ۷ درصد وزنی، تقریباً همه نمونه‌ها در یک محدوده میدان کم بسیار باریک (۲۹-۳۰٫۴ کیلوولت بر میلی‌متر) دچار شکست می‌شوند، همانطور که از آمار پایه در جدول  ۳ و هیستوگرام در شکل  ۱۸ نیز مشاهده می‌شود .

نمودار لگاریتمی وایبول که در شکل  ۱۹ نشان داده شده است ، کاربردپذیری مدل را تأیید می‌کند و یک رابطه خطی واضح را در تمام فرمولاسیون‌ها نشان می‌دهد. شدیدترین شیب و بیشترین تغییر به سمت راست در ۵ درصد وزنی مشاهده شد که عملکرد و قابلیت اطمینان برتر را در این بارگذاری تأیید می‌کند. در همین حال، نمودار احتمال تجمعی، توزیع رویدادهای شکست را نشان داد و خط α افقی (F = 63.2%) امکان مقایسه مستقیم مقاومت مشخصه را در تمام نمونه‌ها فراهم کرد. تغییر تدریجی عرض از مبدا α به سمت ولتاژهای بالاتر، تا ۵ درصد وزنی و عقب‌نشینی آن در ۷ درصد وزنی، از نظر بصری روندهای آماری را تأیید می‌کند.

یکی دیگر از جنبه‌های اساسی که می‌توان از تحلیل وایبل به دست آورد، منحنی قابلیت اطمینان است که می‌تواند در ارزیابی عملکرد و پایداری مواد عایق تحت تنش ولتاژ بالا مورد استفاده قرار گیرد. در حالی که معیارهای سنتی مانند میانگین قدرت شکست، بینشی در مورد عملکرد متوسط ​​ارائه می‌دهند، اما نمی‌توانند احتمال آماری شکست را در سطوح تنش خاص ثبت کنند. اینجاست که ارزیابی قابلیت اطمینان مبتنی بر وایبل ضروری می‌شود، زیرا با در نظر گرفتن توزیع قدرت و احتمالات شکست مرتبط، ارزیابی قوی‌تری ارائه می‌دهد.

این معادله، تابع قابلیت اطمینان R(x) را برای یک متغیر با توزیع وایبل ( ۶ ) تعریف می‌کند:

که در آن: قابلیت اطمینان در تنش x است.

منحنی‌های قابلیت اطمینان وایبول برای همه ترکیبات آزمایش‌شده در شکل  ۲۰ ارائه شده است . این منحنی‌ها احتمال اینکه هر نمونه بتواند تنش معینی را بدون شکست تحمل کند، نشان می‌دهند. نتایج به وضوح نشان می‌دهد که افزودن نانوفیلر Zn/Al-LDH قابلیت اطمینان را در محدوده استحکام شکست افزایش می‌دهد. نمونه‌های ۳ درصد وزنی و ۵ درصد وزنی مطلوب‌ترین پروفیل‌ها را نشان دادند و منحنی‌ها را به سمت مقادیر میدان بالاتر تغییر دادند و نشان‌دهنده بهبود عملکرد دی‌الکتریک بودند. در مقابل، نمونه ۷ درصد وزنی قابلیت اطمینان کمتری را نشان داد، احتمالاً به دلیل تجمع نانوذرات و تخریب سطح مشترک که باعث ایجاد نقص‌های موضعی و نقاط تمرکز میدان شد.

این کار پتانسیل نانومیله‌های هیدروکسید دوگانه لایه‌ای Zn/Al (LDH) را به عنوان پرکننده‌های کاربردی برای افزایش عملکرد دی‌الکتریک و حرارتی رزین اپوکسی بررسی کرد و هدف آن استفاده از آنها در کاربردهای فاصله‌دهنده‌ی تابلو برق عایق گاز (GIS) و خط انتقال (GITL) بود.

یک رویکرد تجربی جامع اتخاذ شد: نانوفیلر‌های LDH سنتز، از نظر ساختاری مشخص شدند و در درصدهای وزنی مختلف (۱، ۳، ۵ و ۷ درصد وزنی) در اپوکسی گنجانده شدند. سپس نانوکامپوزیت‌های حاصل به طور سیستماتیک از طریق طیف‌سنجی دی‌الکتریک، آزمایش استحکام شکست، آنالیز حرارتی و توصیف ریزساختاری ارزیابی شدند. یافته‌های کلیدی را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:

1. ۱.نانوذرات Zn/Al-LDH ساختار لایه‌ای نانوبلوری و نیمه منظمی با مساحت سطح حدود ۹۸.۹ متر مربع ^بر گرم از خود نشان دادند. همچنین، معماری مزومتخلخل با قطر متوسط ​​منافذ حدود ۱۸.۷ نانومتر، ظرفیت جذب بالا و قابلیت به دام انداختن بار مؤثر را فراهم کرد که هر دو برای عایق الکتریکی مفید هستند.
2. ۲.SEM/EDX حضور Zn و Al با توزیع یکنواخت در زمینه پلیمری را تأیید کرد و همچنین ادغام موفقیت‌آمیز LDH در ماتریس اپوکسی را تأیید نمود و نظم ساختاری را از ۲۱.۱٪ برای اپوکسی خالص به ۲۸.۹٪ برای کامپوزیت ۵ درصد وزنی افزایش داد.
3. ۳.TGA بهبود پایداری حرارتی را نشان داد: باقیمانده زغال از ۱۴٪ برای اپوکسی خالص به ۱۷.۱٪ برای کامپوزیت ۵٪ وزنی افزایش یافت. DSC افزایش دمای انتقال شیشه‌ای را از ۹۳.۵ درجه سانتیگراد به ۱۰۹.۸ درجه سانتیگراد در ۵٪ وزنی نشان داد که از الزام عملیاتی IEC 62271-1 یعنی ۱۰۵ درجه سانتیگراد فراتر رفت.
4. ۴.گذردهی نسبی (ε′) در ۱ تا ۳ درصد وزنی کمی بهبود یافت، اما در بارگذاری‌های بالاتر (۵ تا ۷ درصد وزنی) به دلیل محدودیت‌های سطحی و تجمع، کاهش یافت. تلفات دی‌الکتریک (tan δ) در فرکانس ۵۰ هرتز در محدوده ایمن باقی ماند و رسانایی AC به ۱۰-۸ زیمنس بر سانتی‌متر کاهش یافت ^که  عملکرد عایق قوی را تأیید می‌کند.
5. ۵.استحکام شکست با افزایش پرکننده‌ها تا ۵ درصد وزنی، به طور پیوسته بهبود یافت و به ۳۷.۴ کیلوولت بر میلی‌متر رسید که تقریباً ۲۴ درصد بیشتر از اپوکسی خالص است. در این سطح، کامپوزیت همچنین پایدارترین عملکرد را نشان داد. با این حال، فراتر از ۵ درصد وزنی، اثرات تجمع غالب بود و استحکام به زیر اپوکسی خالص کاهش یافت. بنابراین، بارگذاری بهینه به وضوح در ۵ درصد وزنی است.

اگرچه نتایج، پتانسیل قابل توجه نانوکامپوزیت‌های Zn/Al-LDH/اپوکسی را برای کاربردهای عایق‌بندی ولتاژ بالا تأیید می‌کند، اما این مطالعه به شرایط آزمایشگاهی کوتاه‌مدت محدود شده است. تحقیقات بیشتری برای ارزیابی پایداری طولانی‌مدت در برابر فرسودگی، تأثیر رطوبت و استقامت الکتریکی تحت محیط‌های تنش‌زای مشابه سرویس مورد نیاز است. چنین تحقیقاتی بینش عمیق‌تری در مورد قابلیت اطمینان و کاربرد میدانی مواد اپوکسی مبتنی بر LDH در سیستم‌های GIS/GITL ارائه می‌دهد.