CN103854917A

CN103854917A - 电子装置中使用的用于灭弧的氟塑料基材复合材料

Info

Publication number: CN103854917A
Application number: CN201210505774.0A
Authority: CN
Inventors: 刘宇
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE; Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN103854917B

Abstract

本发明涉及新型复合材料，其包含氟塑料作为基材和特定的无机填料，预期其能产生负电性元素以限制电弧电流并吸收电弧能量以促进灭弧。

Description

电子装置中使用的用于灭弧的氟塑料基材复合材料

技术领域

本发明涉及一种灭弧复合材料，其包含氟塑料作为基材和特定的无机填料。本发明还涉及所述灭弧复合材料在断路时产生电弧的电子装置中的应用，例如MV/HV负载断路开关设备、断路器或接触器。

背景技术

电弧是通常在绝缘介质中的可见电流，其产生于两个彼此靠近的导电表面之间，条件是所述两个表面之间存在足够的电势差。

电流一般通过其所穿过的绝缘介质的离子化而得到证实，并因此恰好构成可能达到高温如2000(K)至10000K的温度的等离子体。

当撞击时，电弧可以引起周围元素的分解，以及剧烈的电磁干扰，这可能已经证实为电气设备、特别是意在中断电流的电气设备(如断路器、开关或开关切断器)中的问题。

通常存在三种类型的电器灭弧介质：油、真空和气体。对于使用油的设备，需要定期维护所用的油，而且在电弧断路期间存在爆炸风险。真空是良好的断路绝缘介质，但是真空机构的安装复杂，而且真空度的维持也很难。通常使用气体灭弧介质。但是，介电气体(例如具有高全球变暖可能性(GWP)的SF₆)对环境有严重影响。

当释放至大气时，常规使用的具有高绝缘性和灭弧性能的绝缘气体对环境具有巨大影响，因此已经严格控制了这些具有高GWP的气体的使用。研究了常规的环境友好的绝缘气体(例如干燥空气、CO₂和N₂)作为替代品。但是，这些气体的绝缘性和断路性能很差，使得不得不增加气压或绝缘距离。这将导致电器大小和产品成本的增加。

为了使用环境友好的绝缘气体实现断路，需要能够释放氟至电弧周围并吸收电弧能量的灭弧材料，其可以增强灭弧性能却不增加气压和绝缘距离。

EP 0671754A2提出了尼龙基材的灭弧复合材料，其可以通过热分解产生H₂O、O₂和O，增强灭弧性质。然而，这些材料容易被碳化。

在空气绝缘开关设备中研究了一些其它的灭弧材料，包括POM、PMMA、PA、PVC等，其可以产生大量高导热性气体，例如氢气等(H2、O2、H2O…)，它们增加了气压然后有助于灭弧。然而，这些材料容易被碳化、断裂和软化。此外，氢气不能存在于含氟气氛中，否则可以产生HF酸并腐蚀金属触点。因此，所有这些材料均设计用于在开放空间进行断路。对于在密闭室中的断路，严禁存在H₂O，因为其能够破坏绝缘性能。

因此，本领域仍需要一种新的灭弧材料，其可以限制电弧电流、吸收电弧辐射、消散电弧能量和热能等。

本发明人为了解决上述问题进行了深入细致的研究，发明了用于置于电弧等离子体周围的新的复合材料，其增加了介电气体的灭弧性能，以便使用环境友好的气体实现灭弧而不需要大大增加气压。

发明内容

本发明提出了新的氟塑料基材复合材料，目的在于使用环境友好的绝缘气体增加灭弧性能，降低环境荷载而不增加目前所用的气压值。

在第一方面中，本发明涉及新的氟塑料基材复合材料，其包含基材氟塑料和几种类型的具有不同功能的无机填料(包括第一无机填料和第二无机填料)。

在一个实施方案中，所述基材氟塑料可为PTFE、PFA、FEP和PCTFE。优选PTFE。

在另一个实施方案中，所述第一无机填料为释放氟元素的无机填料，其用于限制电弧电流。在一个具体的实施方案中，所述第一无机填料选自金属氟化物，优选CaF₂、MgF₂、BaF₂、CeF₃、CeF₄和LaF₃，特别优选CaF₂和CeF₃。在更具体的实施方案中，所述第一填料的含量为复合材料总重量的1%-30%，优选2-25%，更优选5-20%。在更具体的实施方案中，所述复合材料含有1%-30%，优选2-25%，更优选5-20%，特别优选5%的CaF₂或CeF₃。在更具体的实施方案中，所述复合材料可以包含两种或多种上述第一无机填料。

在另一个实施方案中，所述第二无机填料为吸收电弧辐射和消散电弧能量的无机填料，其选自氧化物、硫化物、氮化物、硒化物和碳化物。在一个具体的实施方案中，所述第二无机填料选自ZnO、GaN、TiO₂、ZnS、ZnSe、SiC、SiO₂、Al₂O₃、AlN、MoS₂和BN，优选BN和MoS₂。在更具体的实施方案中，所述第二填料的含量为复合材料总重量的0.1%-10%，优选0.1-8%，更优选0.1-5%。在更具体的实施方案中，所述复合材料含有0.1%-10%，优选0.1-8%，更优选0.1-5%，特别优选1%的BN或MoS₂。在更具体的实施方案中，所述复合材料可以包含两种或多种上述第二无机填料。在优选的实施方案中，所述复合材料可以包含相同或不同含量的两种上述第二无机填料，优选地，所述第二无机填料为BN和MoS₂。在更优选的实施方案中，所述复合材料可以包含1%的BN和1%的MoS₂。

在另一个实施方案中，所述复合材料为含CaF₂(5%)+BN(1%)+MoS₂(1%)的PTFE或含CeF₃(5%)+BN(1%)+MoS₂(1%)的PTFE，它们具有比纯的PTFE更好的释放氟元素和吸收辐射的性能。

本发明的灭弧复合材料可以用于断路时产生电弧的电子装置，例如MV/HV负载断路开关设备、断路器或接触器。

本发明的新的氟塑料复合材料用于在密闭室中进行断路，其可以：

--释放负电性元素(氟元素)至电弧等离子体中，以增强灭弧性质，

--吸收电弧辐射，以降低电弧能量和帮助灭弧，以及

--由于不释放氢元素而降低腐蚀风险。

在第二方面中，本发明涉及上述复合材料在电子装置中用于灭弧的用途。所述电子装置为MV/HV负载断路开关设备、断路器或接触器，其在断路时产生电弧。

附图说明

图1：含有本发明的复合材料的一种负载断路开关设备的示意图。

图2：含有本发明的复合材料的另一种负载断路开关设备的示意图。

图3：烧蚀前后，在以下不同材料中的氟的重量比：(a)PTFE，(b)PTFE+5%CaF₂，(c)PTFE+5%CeF₃，(d)PTFE+5%CaF₂+1%BN+1%MoS₂，(e)PTFE+5%CeF₃+1%BN+1%MoS₂。

图4：以下材料从UV至近IR吸收射线的能力：(a)PTFE，(b)PTFE+5%CaF₂，(c)PTFE+5%CeF₃，(d)PTFE+5%CaF₂+1%BN+1%MoS₂，(e)PTFE+5%CeF₃+1%BN+1%MoS₂。

图5：烧蚀以下不同材料后，等离子体中的F/C比：(a)PTFE，(b)PTFE+5%CaF₂，(c)PTFE+5%CeF₃，(d)PTFE+5%CaF₂+1%BN+1%MoS₂，(e)PTFE+5%CeF₃+1%BN+1%MoS₂。

具体实施方式

定义

本文所用的术语应被理解为具有以下含义，除非另行说明：

“氟塑料”是指部分或全部的氢被氟取代的链烷烃聚合物，包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟化的乙烯基醚(PFA)、四氟乙烯-四氟丙烯共聚物(FEP)和聚三氟氯乙烯(PCTFF)，其中PTFE尤其适用于本发明。

“释放氟元素的无机填料”是指被电弧烧蚀后能够释放出氟元素至电弧等离子体中的无机填料，尤其是指金属氟化物，包括但不限于CaF₂、MgF₂、BaF₂、CeF₃、CeF₄和LaF₃，其中CaF₂和/或CeF₃尤其适用于本发明。

“吸收电弧辐射和消散电弧能量的无机填料”是指可以从UV至近IR吸收电弧辐射，以消散电弧能量和热能的无机填料，例如金属和非金属氧化物、金属和非金属硫化物、金属和非金属氮化物、金属和非金属硒化物和金属和非金属碳化物等，包括但不限于ZnO、GaN、TiO₂、ZnS、ZnSe、SiC、SiO₂、Al₂O₃、AlN、MoS₂和BN，其中MoS₂和/或BN尤其适用于本发明。

“MV/HV负载断路开关设备”是指中压/高压负载断路开关设备，其在断路时产生电弧。其中MV负载断路开关设备包括多种型号，例如FBX、M24+、RM6和SM6等。

复合材料

本发明人出乎意料地发现，当向本发明的氟塑料基材中加入第一无机填料后，能够增加所得复合材料的灭弧性能。进一步地，再向本发明的氟塑料基材中加入第二无机填料后，可以得到能够产生负电性元素(氟元素)以限制电弧电流并吸收电弧能量以促进灭弧的复合材料。更进一步地，当向本发明的氟塑料基材中加入两种或多种第二无机填料后，所述性能得到进一步提升。

所述氟塑料可市售获得，例如购自Daikin大金的商品。

所述无机填料可市售获得，例如购自SCRC国药化学试剂的商品。

加入的第一无机填料用于限制电弧电流，其可为金属氟化物，包括但不限于CaF₂、MgF₂、BaF₂、CeF₃、CeF₄和LaF₃，特别优选CaF₂和CeF₃。加入的第一无机填料的量可为1%至30%，例如1%、5%、10%、15%、20%、25%和30%，例如可以加入5%的CaF₂或5%的CeF₃，以复合材料总质量计。

加入的第二无机填料用于吸收电弧辐射和消散电弧能量，其可为氧化物、硫化物、氮化物、硒化物和碳化物，包括但不限于ZnO、GaN、TiO₂、ZnS、ZnSe、SiC、SiO₂、Al₂O₃、AlN、MoS₂和BN，优选BN和MoS₂。加入的第二无机填料的量可为0.1%至10%，例如0.1%、1%、2%、4%、5%、6%、8%和10%，以复合材料总质量计。优选地，可以加入等量或不等量的两种所述第二无机填料，例如BN和MoS₂，其含量为复合材料总质量的0.1%至10%。更优选地，可以加入1%的BN和1%的MoS₂，以复合材料总质量计。

本发明特别优选以下的复合材料：

1.PTFE+5%CaF₂+1%BN+1%MoS₂；

2.PTFE+5%CeF₃+1%BN+1%MoS₂。

与现有的材料相比，本发明的新的氟塑料基材复合材料具有以下优点：

--所述复合材料有利于灭弧，

--所述复合材料可以限制电弧电流，吸收电弧辐射，并以加入的不同填料消散电弧能量，以及

--所述复合材料包含不同功能的填料，例如金属氟化物用于释放负电性元素，金属氧化物、非金属氮化物和金属硫化物等用于吸收电弧辐射和热能。

复合材料的制备方法

制备本发明的复合材料的方法需根据氟树脂的类型，调整加工途径。对于制备以PTFE为基材的复合材料，优选粉末加工方法。具体地，将PTFE和填料先进行干混，并混合均匀，然后通过模压并烧结处理混合粉末，得到所述的复合材料。对于制备以其它几种氟树脂为基材的复合材料，可以通过本领域常规的挤塑法直接制备。

复合材料的灭弧原理

不同于在电弧周围充满具有高绝缘性和灭弧性能的SF₆，本发明在电弧周围充满环境友好的气体，仅在产生电弧的时候释放适量负电性元素(氟元素)至所述气体中来达到相同效果，这便极大减小了对环境的影响。

因此，本发明的复合材料通常可以放在出现电弧的动触点与静触点周围(见图1和图2)。当所述触点断开时，出现电弧，其烧蚀所述复合材料。然后所述复合材料释放负电性元素(氟元素)至电弧等离子体中，并且吸收该电弧能量以帮助灭弧。

图1显示了一种含有本发明的复合材料的负载断路开关设备的示意图，其中室6内充满环境友好的气体5，两个静触头2分别位于室6的上下垂直位置，动触头3可以沿着室6的中心转动，本发明的复合材料1以垫片的形式置于室6的内表面处。

当动触头3在垂直位置与静触头2连接时，电路导通并带电。当电路需要开断时，动触头3逆时针转动，与静触头2分开并产生电弧4。电弧作用在复合材料1上并烧蚀该材料产生电负性离子，大大促进正负离子的复合作用，加快气体绝缘强度的恢复。同时复合材料4还可吸收和传导电弧能量，有助于降低电弧能量，加强去游离作用。从而有助于电弧熄灭，使电路开断成功。

图2显示了另一种含有本发明的复合材料的负载断路开关设备的示意图，其中静触头2位于顶部，动触头3可以沿着其中心转动，与图1不同的是还加入了一个绝缘支持件7位于动触头3转动的圆周上，而且本发明的复合材料1以栅片方式插入绝缘支持件7中，其指向动触头3转动的圆心并与动触头3几乎平行。

当动触头3在垂直位置与静触头2连接，电路导通并带电。当电路需要开断时，动触头3顺时针转动，与静触头2分开并产生电弧4。电弧进入复合材料1组成的栅片并与其作用。电弧熄灭原理与上述图1的相同。在该负载断路开关设备中，电弧4与复合材料1离得更近，将取得更好的灭弧效果。

复合材料的灭弧性能

通过CO₂激光束烧蚀所述复合材料模拟电弧烧蚀作用，用于评价本发明的复合材料的灭弧性能。氟离子作为从复合材料释放的等离子体中的负电性元素，可以捕获电子并加速电介质绝缘强度的恢复，然后帮助灭弧。激光烧蚀后释放的氟的量被视为有助于电弧断路的重要特征。

图3给出了烧蚀复合材料前后，所述复合材料中剩余的氟的重量比。我们发现，在复合材料(d)和(e)中，烧蚀前后氟的重量比的差值分别比纯的PTFE大许多，并且比仅含CaF₂或CeF₃的PTFE大2-3倍。这证明了本发明的复合材料能够释放更多的氟。而且，由于BN和MoS₂的吸热和热传导作用，复合材料烧蚀后氟元素含量进一步减少，这意味着复合材料(d)和(e)更有利于氟的释放，从而可以促进正负离子的复合作用，加快气体绝缘强度的恢复，使电弧更容易熄灭。

图4显示了PTFE+5%CaF₂+1%BN+1%MoS₂和PTFE+5%CeF₃+1%BN+1%MoS₂具有比PTFE、PTFE/CaF₂和PTFE/CeF₃强的从UV至近IR吸收射线的能力。这两种新的复合材料可以吸收更多的电弧辐射，导致冷却电弧并分解所述复合材料以释放更多的氟。

图5显示了在等离子体中，由于激光烧蚀本发明的复合材料产生的氟/碳比。该结果也表明了在等离子体中，复合材料(d)和(e)释放的氟百分比明显大于PTFE(a)和仅含有金属氟化物的复合材料(b)和(c)的氟百分比。BN和MoS₂的加入增加了对电弧的射线吸收和复合材料的导热性，导致在相同电弧能量释放更多的氟。所述射线吸收还可加速电弧能量的消散并帮助冷却电弧。

复合材料的用途

本发明的复合材料可用于MV电子装置，例如FBX、M24+、RM6和SM6。其可以提供低环境影响方案，以使用环境友好的介电气体实现开断。该方案还比经过真空断路器的电弧开断更廉价。

实施例

以下实施例仅用于例示本发明，并非对其进行限定。

实施例1：含5%CaF₂的PTFE复合材料的制备

向粒径为20μm-50μm的PTFE粉末中加入CaF₂粉末(占复合材料总质量的5%)，进行干混使之混合均匀。然后将混合粉末静压压成圆柱状毛胚，并在烘箱中处理48小时。最后将圆柱状复合材料车削成带状，即得到PTFE+5%CaF₂的复合材料产品。

实施例2：含5%CeF₃的PTFE复合材料的制备

使用实施例1所述方法，使用粒径为20μm-50μm的PTFE粉末和CeF₃粉末(占复合材料总质量的5%)制得PTFE+5%CeF₃的复合材料产品。

实施例3：含5%CaF₂+1%BN+1%MoS₂的PTFE复合材料的制备

向粒径为20μm-50μm的PTFE粉末中CaF₂粉末(占复合材料总质量的5%)和MoS₂粉末(占复合材料总质量的1%)和BN粉末(占复合材料总质量的1%)，进行干混使之混合均匀。然后将混合粉末静压压成圆柱状毛胚，并在烘箱中处理48小时。最后将圆柱状复合材料车削成带状，即得到本发明的PTFE+5%CaF₂+1%BN+1%MoS₂的复合材料产品。

实施例4：含5%CeF₃+1%BN+1%MoS₂的PTFE复合材料的制备

使用实施例3所述方法，使用粒径为20μm-50μm的PTFE粉末、CeF₃粉末(占复合材料总质量的5%)和MoS₂粉末(占复合材料总质量的1%)和BN粉末(占复合材料总质量的1%)制得PTFE+5%CeF₃+1%BN+1%MoS₂的复合材料产品。

实施例5：应用二氧化碳激光器模拟电弧烧蚀作用

应用了二氧化碳激光器烧蚀本发明的复合材料表面，模拟真实的电弧烧蚀作用。并通过X射线能量色散谱分析方法，分析烧蚀前后本发明的复合材料表面所含氟元素的相对含量，以评价复合材料释放氟元素的能力。其中使用了以下材料：

(a)PTFE；

(b)PTFE+5%CaF₂；

(c)PTFE+5%CeF₃；

(d)PTFE+5%CaF₂+1%BN+1%MoS₂；

(e)PTFE+5%CeF₃+1%BN+1%MoS₂。

表1：激光烧蚀后，本发明的复合材料表面所含氟元素的含量变化

材料	烧蚀后与烧蚀前的差值
		a	1
b	4
		c	14
d	20
		e	23

由表1和图3可以看出，复合材料(d)和(e)释放出最大量的氟元素。证明了BN和MoS₂的加入进一步提高了氟元素的释放量。

实施例6：材料吸收电弧辐射的能力

应用了紫外-可见-红外分光光度计测试了多种材料吸收不同波段光波的特性，用于研究材料吸收电弧辐射的能力。其中使用了与实施例5相同的材料。

由图4可以看出，在250nm至2000nm的波长范围，材料(a)和复合材料(b)、(c)的吸光度%低于10%。而加入BN和MoS₂后，复合材料的吸收电弧辐射的能力大大提高，复合材料(d)和(e)的吸光度%均大于60%。

实施例7：等离子体中的氟含量

应用了激光诱导击穿光谱技术，将高功率密度的激光作用在材料样品表面，以产生激光诱导的等离子体。通过检测激光诱导的等离子体中的原子和离子谱线，来确定样品的成分组成。

表2.激光烧蚀后，所得等离子体中的氟/碳比

材料	等离子体中的F/C比
		a	25
b	51.27
		c	52.2
d	59
		e	60

由表2和图5可以看出，复合材料(d)和(e)释放出最大量的氟元素至等离子体中。

显而易见地，本领域技术人员可以在不违背本发明的精神和范围的基础上做出各种其它变化和修改。因此在权利要求中包括所有此类在本发明范围内的变化和修改。

Claims

1.一种复合材料，其含有：

作为基材的氟塑料；

1%-30%重量的用于释放氟元素的第一无机填料，其选自金属氟化物；

0.1%-10%重量的用于吸收电弧辐射和消散电弧能量的第二无机填料，其选自氧化物、硫化物、氮化物、硒化物和碳化物。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述复合材料含有至少两种第二无机填料，优选含有两种第二无机填料。

3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其中所述第一无机填料的质量为复合材料总质量的2%-25%，优选5%-20%。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合材料，其中所述第一无机填料优选选自CaF₂、MgF₂、BaF₂、CeF₃、CeF₄和LaF₃中的一种或多种，特别优选CaF₂和/或CeF₃。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的复合材料，其中所述第二无机填料的质量为复合材料总质量的0.1%-8%，优选0.1%-5%。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的复合材料，其中所述第二无机填料优选选自ZnO、GaN、TiO₂、ZnS、ZnSe、SiC、SiO₂、Al₂O₃、AlN、MoS₂和BN中的一种或多种，特别优选MoS₂和/或BN。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的复合材料，其中所述氟塑料选自PTFE、PFA、FEP和PCTFE，特别优选PTFE。

8.权利要求1-7中任一项所述的复合材料在电子装置中用于灭弧的用途。

9.根据权利要求8所述的用途，其中所述电子装置为在断路时产生电弧的电子装置，例如MV/HV负载断路开关设备、断路器或接触器。