CN103236649B - 放电电极高强度绝缘结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，首先在内电极毛坯表面上刻槽，将绝缘纤维在真空压力下浸渍绝缘树脂；然后在真空压力下将绝缘纤维交错缠绕在刻槽的内电极毛坯上，形成一体化绝缘结构毛坯；再将一体化绝缘结构毛坯放入定型模具，在真空压力下浸渍灌封；再进行烘焙固化，形成一体化绝缘结构；最后在一体化绝缘结构绝缘层外表面加工螺纹。本发明中由于采用了内电极表面刻槽，将绝缘纤维交错缠绕在内电极的制备方法，使绝缘层与内电极不易发生脱层，粘结良好。采用的真空灌封固化方法增强了绝缘层的抗冲击性，减少了绝缘层间的气泡，避免了绝缘层的迅速老化，并使绝缘层不易出现裂纹，进一步提高了放电电极的可靠性。

Description

放电电极高强度绝缘结构的制备方法

技术领域

本发明涉及一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法。

背景技术

水下等离子体声源是一种利用水下高压放电来产生水下冲击波的脉冲声源，具有发射声功率大、脉冲窄、频带宽等一系列优点，在体外碎石和管道除垢、食品消毒和污水处理、海洋勘探和目标探测等领域具有广泛应用。放电电极是水下等离子体声源中将系统电能转化为机械能的电声转换核心部件，直接决定着声源的声效率和工作性能。随着脉冲功率技术的迅猛发展和广泛应用，水下等离子体声源向着更高电压、高能量、高重复频率方向发展，对放电电极材料和结构的要求越来越高。

放电电极一般由内电极、绝缘层、外电极构成，绝缘层处于内电极和外电极之间，用于保持不同电位内电极和外电极的绝缘隔离。对放电电极绝缘材料的要求是绝缘强度高、吸水性小、耐温、耐冲击等；对电极材料的要求是导电性好、电子逸出功小、耐高温、耐腐蚀和耐烧蚀。当前使用的水下等离子体声源的放电电极一般采用一体化设计，放电电极的正负极间采用简单的密封绝缘结构，正负极之间的连接方式不可重复，但由于水下等离子体声源的使用环境特殊，水下承受5kV～50kV高压，放电间隔在0.01s～300s，放电能量在100～5000J，在承受多次（连续500次以上）放电冲击后，绝缘层会出现裂纹甚至损伤，从而影响放电系统的安全性，因此研究高强度、抗冲击、耐压高、耐温高的放电电极绝缘结构和设计制备方法，对于延长放电电极的使用寿命、提高放电电极的可靠性以及输出声脉冲波形的一致性具有重要有意义，也是行业内急需突破的关键技术。

放电电极绝缘层的材料选择和结构设计是根据放电电极的技术要求和使用要求，通过合理的高压绝缘结构设计、正确的选择材料、精细的结构工艺使放电电极绝缘设计和强度设计达到技术上的先进性和经济上的合理性。《舰船科学技术》（29卷3期67页）中的“水下定向声能技术在水声对抗中的应用研究”文章中提出了一种同轴型放电电极，即中心铜棒与外面铜管作为2个电极，在2个电极之间用绝缘材料进行填充。但这种结构的电极在连续高压脉冲放电过程中，中心铜棒在冲击波的作用下易从填充的绝缘材料中脱落，从而使绝缘结构不再可靠，同时当放电进行一段时间后，放电电极严重烧蚀而无法更新中心铜棒，只能更换整个电极。专利“一种接插式电火花振源发射探头”（CN 201673264 U）的电缆接连头与电火花放电接插头间采用了高压密封、高压绝缘结构设计，解决了高压密封、高压绝缘、方便安装拆卸等问题，但这一绝缘结构设计无法适应于大功率大电流水下脉冲放电。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：沿放电电极圆柱型内电极毛坯径向方向，在内电极毛坯表面上刻槽；将绝缘纤维在负0.01MPa～负0.1MPa真空压力下浸渍绝缘树脂；

步骤2：在真空压力下将步骤1中浸渍绝缘树脂的绝缘纤维交错缠绕在刻槽的内电极毛坯上，形成一体化绝缘结构毛坯；

步骤3：将一体化绝缘结构毛坯放入定型模具，并在真空压力状态下保持至少半小时，再向定型模具中注入绝缘树脂进行真空压力浸渍灌封；

步骤4：将步骤3灌封后的定型模具放入高温炉中加热烘焙固化；固化后的一体化绝缘结构冷却至常温后脱模，并在一体化绝缘结构绝缘层外表面加工螺纹。

所述一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，其特征在于：绝缘纤维采用玻璃纤维或聚酰亚胺纤维；绝缘树脂采用聚醚醚酮树脂、聚酰亚胺树脂或增强环氧树脂；绝缘纤维和绝缘树脂的电阻率大于10¹²Ω·cm，累积效应下工作温度大于200℃；内电极毛坯材料采用铜钨合金或锡青铜合金，其中合金的含铜量为10%～50%。

所述一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，其特征在于：内电极毛坯表面刻槽为螺纹槽或圆环槽，槽深为0.05mm～2mm。

所述一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，其特征在于：绝缘纤维交错缠绕指在绝缘纤维缠绕过程中，相邻两层缠绕纤维交错缠绕，交错角度为5°～90°。

有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的绝缘结构设计考虑了水下等离子体声源的使用需求，确保了放电电极在大功率、高重复频率条件下放电时的工作性能和安全性能。本发明的放电电极内电极、绝缘层、外电极采用同轴结构，具有机械强度高、抗冲击、损耗小、可靠性好等特点，特别适用于大功率大电流脉冲放电。本发明的内电极和绝缘层一体化同轴结构，进一步提高了内电极的机械强度、抗冲击和高压绝缘性能。本发明的采用机械连接方法将高强度一体化内电极和外电极之间通过螺纹连接，这样便于安装拆卸内电极、调整放电间距，从而提高放电电极的使用寿命，节约成本，并可以灵活调整输出声脉冲波形的性能。本发明中由于采用了内电极表面刻槽，将绝缘纤维交错缠绕在内电极的制备方法，使绝缘层与内电极不易发生脱层，粘结良好。本发明采用的真空灌封固化方法增强了绝缘层的抗冲击性，减少了绝缘层间的气泡，避免了绝缘层的迅速老化，并使绝缘层不易出现裂纹，进一步提高了放电电极的可靠性。

附图说明

图1：本发明放电电极的高强度绝缘结构示意图；

图中，A-放电电极内电极，B-放电电极外电极，C-绝缘层，D-外水密圈。

图2：本发明放电电极的高强度绝缘结构制备方法流程。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

参照附图1，本实施例中的水下等离子体声源放电电极的高强度绝缘结构包括内电极A和绝缘层B，内电极A和绝缘层B加工为高绝缘强度和机械强度的一体化绝缘结构；绝缘层B外表面为螺纹结构，与外电极C的内螺纹同轴密封连接，可相对旋转运动；外电极C内表面为螺纹结构，并带有水密槽和水密圈D。

本实施例的水下等离子体声源的使用需求，是指放电电极在高电压（5kV～50kV）、高重复频率（大于1Hz）、高能量（100～5000J）条件下放电，产生水下等离子体，辐射大功率声脉冲，并且在一定放电间隔（0.01s～300s）连续多次（500次以上）放电冲击后，绝缘层不会出现裂纹甚至损伤。

针对水下等离子体声源放电系统的使用需求，电极表面的电场强度必须超过每厘米几千伏的阈值，且放电电极的正负两极均置于水中，因此将大功率大电流放电电极内电极A、绝缘层B和外电极C设计为同轴结构，内电极A、外电极C中间必须通过高性能绝缘材料绝缘，实施例采取的方法是将绝缘材料缠绕灌封在内电极表面，形成高绝缘强度和机械强度的一体化绝缘内电极，保证了内电极与绝缘层不会发生脱层，提高了放电电极的可靠性。同时由于放电电极在水下工作，且在放电过程中电极承受较强的机械冲击力，因此高性能一体化绝缘内电极的绝缘层B表面与外电极C的内表面加工成螺纹结构连接，且在外电极C内表面加工水密槽，在绝缘层B与外电极C内表面之间加入水密圈进行水密处理，保证放电电极的安全性和高水密性。采用螺纹结构连接，使内电极A与外电极C之间可相对旋转运动，这种结构可以方便的更换内电极或调节内电极A、外电极C之间的放电间距，进而改变放电产生的声脉冲的输出特性，同时节约了成本。

本实施例中的一体化绝缘结构，其制备工艺流程如图2所示，选用高强度绝缘纤维材料交错缠绕在表面刻槽的内电极A毛坯上，经真空压力浸渍灌封高性能绝缘树脂材料后烘焙固化，再经精密机械加工和抛光打磨，使内电极A和绝缘层B一次成型。具体步骤为：

步骤1：在将高性能绝缘材料缠绕在内电极毛坯表面时，为了使绝缘层与内电极不发生脱层，粘结良好，并成为一个密闭、无气泡、无缝隙的整体，所以在进行缠绕时，需要先在内电极表面沿放电电极圆柱型内电极毛坯径向方向刻凹槽，槽为螺纹槽或圆环槽，槽深为0.05mm～2mm，当内电极表面刻槽困难时，可以采样喷砂工艺使内电极表面毛糙，增加附着力。这里内电极毛坯材料采用铜钨合金或锡青铜合金，其中合金的含铜量为10%～50%。

将绝缘纤维在负0.01MPa～负0.1MPa真空压力下浸渍绝缘树脂。鉴于放电电极绝缘结构的设计要求，对于绝缘纤维和绝缘树脂等绝缘材料有相应的要求，在选取绝缘材料前，先对备选材料进行性能测试，包括材料的电性能、力学性能、老化性能以及热力学性能，而且对绝缘材料的热力学性能分析要重视，主要包括动态模量、动态粘度分析，这将直接影响后面的制备工艺。这里绝缘纤维采用玻璃纤维或聚酰亚胺纤维；绝缘树脂采用聚醚醚酮树脂、聚酰亚胺树脂或增强环氧树脂；绝缘纤维和绝缘树脂的电阻率大于10¹²Ω·cm，累积效应下工作温度大于200℃。这里若不对绝缘纤维进行真空压力下的绝缘树脂浸渍，则在后续灌封时，最内层的绝缘纤维不易被绝缘树脂灌封，从而使绝缘层与内电极间易发生脱层。

步骤2：在真空压力下将步骤1中浸渍绝缘树脂的绝缘纤维交错缠绕在刻槽的内电极毛坯上，形成一体化绝缘结构毛坯。本步骤也在真空状态下进行，以将绝缘层各层间的气泡减少到最少，因为气泡会在高电场下发生游离、电晕并出现局部过热，使绝缘层老化。而绝缘纤维交错缠绕过程具体为将绝缘纤维一头固定，另一头缠绕在内电极表面凹槽上，并且是多层交错缠绕，相邻两层缠绕纤维交错角度为5°～90°，确保相邻两层之间不易脱层。

步骤3：将一体化绝缘结构毛坯放入定型模具，并在真空压力负0.05MPa～负0.2MPa状态下保持至少半小时，再向定型模具中注入绝缘树脂进行真空压力浸渍灌封。本步骤仍然在真空压力下进行，以确保内电极和缠绕线间不再含有气泡，同时，采用绝缘树脂进行灌封，以保证绝缘层的抗冲击性能。

步骤4：将步骤3灌封后的定型模具放入高温炉中加热烘焙固化。在高温炉中，从低温到高温进行梯度加热，烘焙固化真空灌封好的内电极和绝缘层3～5小时后，将绝缘材料固化在内电极上，形成一体化高强度绝缘结构。固化后的一体化绝缘结构冷却至常温后脱模，并在一体化绝缘结构绝缘层外表面加工螺纹，使绝缘层B能够与外电极C通过螺纹结构同轴密封连接。在连接前，对固化加工后的绝缘层进行打磨、抛光，减少毛刺，以利于旋转嵌装。

对于排除绝缘层间的气泡，若采用在普通状态下浸渍、缠绕、放入定型模具，再对模型进行抽真空的方法，则易将浸渍在绝缘层间的绝缘树脂抽走，从而影响抗冲击性能。所以，本实施例中浸渍、缠绕以及灌封过程都在真空压力下进行，从而确保高强度绝缘纤维的缠绕效果。

最后，对绝缘结构进行了性能评价实验，包括电阻率、热导率、粘结度以及断裂伸长率等性能测试。对加工成型的绝缘结构进行考核评价中，短期试验包括电极击穿试验、力学性能试验、介质损耗试验等，长期试验包括老化试验、断裂伸长率试验等。最终的评定结果需要满足大功率水下强声等离子体声源系统中放电电极绝缘结构的设计要求。

Claims (4)

1.一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：沿放电电极圆柱型内电极毛坯径向方向，在内电极毛坯表面上刻槽；将绝缘纤维在真空压力下浸渍绝缘树脂；

步骤2：在真空压力下将步骤1中浸渍绝缘树脂的绝缘纤维交错缠绕在刻槽的内电极毛坯上，形成一体化绝缘结构毛坯；

步骤3：将一体化绝缘结构毛坯放入定型模具，并在真空压力状态下保持至少半小时，再向定型模具中注入绝缘树脂进行真空压力浸渍灌封；

步骤4：将步骤3灌封后的定型模具放入高温炉中加热烘焙固化；固化后的一体化绝缘结构冷却至常温后脱模，并在一体化绝缘结构绝缘层外表面加工螺纹。

2.根据权利要求1所述一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，其特征在于：绝缘纤维采用玻璃纤维或聚酰亚胺纤维；绝缘树脂采用聚醚醚酮树脂、聚酰亚胺树脂或增强环氧树脂；绝缘纤维和绝缘树脂的电阻率大于10¹²Ω·cm，累积效应下工作温度大于200℃；内电极毛坯材料采用铜钨合金或锡青铜合金，其中合金的含铜量为10%～50%。

3.根据权利要求1或2所述一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，其特征在于：内电极毛坯表面刻槽为螺纹槽或圆环槽，槽深为0.05mm～2mm。

4.根据权利要求3所述一种放电电极高强度绝缘结构的制备方法，其特征在于：绝缘纤维交错缠绕指在绝缘纤维缠绕过程中，相邻两层缠绕纤维交错缠绕，交错角度为5°～90°。