电介质材料的破坏严重威胁着高压电力设备、脉冲功率器件和航天器电源的安全运行，这些关键设备的发展都急需开发高绝缘性能的电介质材料。聚合物基纳米复合电介质具有优异的绝缘性能，其作为第三代绝缘材料成为电气绝缘领域研究的热点。纳米复合电介质的优异性能来源于纳米粒子与聚合物基体间的界面区。界面区属于介观尺度，其特性包括界面区厚度、电荷分布、极化和陷阱等。这些特性与纳米电介质的宏观性能密切相关。本文以低密度聚乙烯(LDPE)/Al2O3纳米复合电介质为研究对象，以击穿表征其破坏特性，围绕界面区特性与击穿的关联展开研究，重点突出陷阱在两者关联中的作用。研究工作为纳米复合电介质的开发在设备安全可靠运行、缩小设备尺寸和延长设备寿命等方面的应用提供理论基础和实验依据。纳米粒子经过偶联剂KH560处理，采用熔融共混法制备了LDPE/Al2O3纳米复合电介质试样。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和红外光谱(FTIR)等研究表明，纳米粒子均匀的分散在基体中，大部分粒子的尺度小于100nm。纳米粒子表面出现了化学键合等作用，并通过偶联剂与LDPE基体发生了物理化学作用。采用动态热机械分析(DMA)、热失重分析(TGA)、差式扫描量热仪(DSC)和X射线衍射（XRD）等方法间接表征界面区的理化性质和作用，界面区存在的较强相互作用(化学键合、物理交联等)，限制了分子链段的运动，提高了复合材料的玻璃化转变温度(Tg提高3oC)和活化能(从2.86eV增大到2.98eV)。界面区的分子链段重排和定向导致低含量试样的结晶度增大(提高33%)，微晶尺寸减小。实验研究了等静压处理对试样介电响应特性的影响，理论分析了等静压作用后试样介电常数下降的原因，认为低含量纳米电介质介电常数下降的原因是分子链段运动受限，而不是自由体积增大。界面区分子链段及基团运动受限表明界面区是一个弱极化的区域。采用界面区激增模型和修正的界面相指数模型(IPL)模型，模拟计算了界面区特性(有效厚度、体积分数、极化等)与介电常数的变化关系，获得了界面区有效厚度。发现界面区有效厚度随纳米粒子含量的增加出现转折点(1wt%附近)。
实验研究了等静压处理对试样体击穿的影响规律，根据自由体积击穿理论，分析认为自由体积减小导致击穿场强增大。由文献研究，Tg的提升以及拉伸弹性模量的增加，推论低含量试样减小了自由体积，增大了击穿场强。考虑击穿的二次效应—空间电荷，高场电导特性的研究表明少量纳米粒子抑制了电极注入电荷，减少了空间电荷积聚，导致击穿场强提高。
测试和研究了试样的真空沿面闪路和二次电子发射(SEE)特性，理论计算了闪络电压，获得了SEE特性与闪络电压的关系。发现纳米掺杂降低了试样的SEE系数，减弱了SEE发射和倍增，减少了表面正电荷积聚，导致闪络电压增大。采用热刺激电流(TSC)、表面电位衰减(SPD)提取了试样的体和表面陷阱参数，理论分析了界面区特性对陷阱的影响，认为低含量试样体深陷阱的增大归因于界面区陷阱(φ2)与基体陷阱的叠加。采用双极性电荷输运模型(BCT)模拟计算了深陷阱深度和密度与击穿场强的关系，发现深陷阱密度增大减小了空间电荷积聚的最大电场；深陷阱深度增大提高了自由体积击穿的阈值势垒；从而导致击穿场强提高。另外，理论分析了表面陷阱与沿面闪络特性的关系，发现电子和空穴陷阱密度的增大和减小，降低了SEE系数和表面正电荷积聚，提高了闪络电压。
综上所述，本文表征分析了LDPE/Al2O3纳米电介质界面区特性(有效厚度、分子链运动、体积分数、极化等)、陷阱特性，获得了陷阱在界面区特性与击穿的关联中的重要影响作用，对建立纳米复合电介质界面区特性与击穿的关联具有重要的科学意义。