CN105321635B - 基于3d打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高电压设备制造领域，公开基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，所述方法包含以下步骤：1)绝缘子三维建模及模型切片；2)电导率空间分布计算；3)原料制备；4)混合比例计算；5)绝缘子3D打印；6)后处理。本发明提供的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，相比较于离心制造技术，能够实现多维度的绝缘子材料电导率空间分布，达到灵活调控直流电压下绝缘子内部及表面电场强度，提升绝缘子击穿电压的目的。

Description

基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法

【技术领域】

本发明属于高电压设备制造领域，具体涉及基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法。

【背景技术】

我国长期存在着能源资源和负荷中心不均衡的情况，能源资源总体分布呈现“西多东少，北多南少”的特点，而负荷中心主要集中在东中部地区。随着电力需求的快速增长及环境压力的加大，国家及社会对远距离、大容量、高效率输电方式的要求日益迫切。超/特高压直流输电由于其线路投资少、线路损耗低，无功角稳定问题等优点，特别适合于远距离及超远距离的电能输送。经过多年的自主研究和建设，目前我国已经掌握了±800kV特高压输电的技术，正在向±1100kV特高压直流输电迈进。在超/特高压直流输电的实践中，固体绝缘系统的放电破坏时有发生，此类破坏事故往往由电场不均匀带来的绝缘耐电性能薄弱造成，给设计、制造带来很高的技术难度和成本，严重危及系统的安全可靠运行。此外，在脉冲功率系统中也存在着大量的高压直流设备，如加速器、高压直流电源等，其绝缘问题也制约着相关设备的安全稳定，并限制了设备向“小型化”、“集成化”方向进一步发展。

一般认为，电场分布不均匀是导致绝缘击穿破坏、耐电特性差的重要原因。对于绝大多数的超/特高压直流设备，其绝缘所承受的电场分布往往极不均匀，例如各种绝缘子的高压端部分，尤其是不同材料之间的结合处(如金属导体、固体绝缘与气、液、真空等构成的复合绝缘系统的界面和表面)，由于材料介电特性的急剧变化，往往承受数倍于平均场强的电场强度。过于集中的电场强度会带来绝缘子的局部放电，加剧绝缘材料的老化，进而发展为击穿破坏。传统的解决方法主要是通过增大绝缘尺寸、优化电极-介质结构来改善电场分布，但效果往往有限。过于复杂的绝缘结构不仅给生产制造带来很大的难度和成本，同时也会带来很多附生问题。“功能梯度材料”(Functionally Graded Material,FGM)的出现为解决这一问题提供了可能的思路。通过使用不同性能的材料及先进的复合工艺，使材料特性在材料内部不同空间位置上呈现连续梯度变化，这样可以“主动”地克服局部应力集中问题。

根据电磁场理论，对于交流绝缘系统，其电场分布与介电常数呈反比分布，而对于超/特高压直流绝缘系统，其电场分布则与体积电阻率呈正比分布(即与电导率呈反比分布)，因此，若能够制作材料电导率呈现空间梯度变化的FGM绝缘子，降低/提高局部电场集中区域的材料电阻率/电导率，就能够主动而有效地均匀电场分布、削弱局部集中，进而达到大幅度提高超/特高压直流绝缘子耐电强度的目的。长期以来，FGM绝缘子是高电压绝缘领域很多研究者追求的目标：日本、韩国、印度等的研究者进行了FGM绝缘子均匀电场强度的仿真验证工作；日本名古屋大学Okubo团队借助无机填料离心制造技术，构建了外形结构为圆台和盘型的聚合物-无机非金属复合材料FGM绝缘子，发现其可有效地降低绝缘子表面的最大电场，是国际上唯一的关于介电梯度绝缘子制造的报道。然而，该类的研究主要以适用于交流输电的介电常数FGM绝缘子为主，且目前使用的离心制造技术的材料梯度可控性较差，难以可重复性地精确制造，并且只能实现单个空间维度上的材料介电特性分布，无法真正有效的进行电场的分布调控。

近年来，以材料累积成型为3D打印技术为FGM绝缘子提供了全新的实现手段。3D打印是随信息、材料与制造等多学科融合发展起来的一种先进制造技术，其核心原理是使材料“逐点累积形成面、逐面累积成体”。由于3D打印逐点、逐层堆积的特性，其可以在成型的过程中改变成型材料的组分，制造出具有梯度特性分布的产品，特别适合于FGM制件。然而，目前3D打印技术主要还是用于复杂结构零件的制造，对于电气设备绝缘子等功能性设备，其应用尚不多见；目前也无关于电导率梯度绝缘子3D打印制备方法的相关报道。

【发明内容】

本发明的目的在于提供基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，通过在3D打印制造过程中控制逐点累积时单点聚合物材料的电导率，实现有效、可控、多维度地直流绝缘子电场调控。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，包含以下步骤：

步骤1：构建绝缘子几何形状和电导率空间分布三维CAD模型，将模型分割成多个几何单元并生成模型的STL文件，使用切片软件将STL文件转换成3D打印装置的制造数据；

步骤2：利用三维有限元方法计算绝缘子内部及表面的电场分布，根据实际绝缘子的电气特性需求，获得绝缘子的电导率空间分布；

步骤3：制备用于电导率梯度绝缘子3D打印的低电导率聚合物材料和高电导率聚合物材料；

步骤4：根据步骤2中的电导率空间分布，确定绝缘子内部不同空间位置上两种材料的混合比例；

步骤5：将步骤1中的制造数据输送至3D打印设备，并根据步骤4中确定的混合比例，控制3D打印设备完成电导率梯度绝缘子的3D打印；

步骤6：将步骤5制造得到的绝缘子进行后处理，处理方法为二次固化或机械加工。

进一步的，所述低电导率聚合物材料为电导率10^–16～10^–8S/m且适用于3D打印的高分子材料。

进一步的，所述低电导率聚合物材料为光敏树脂、聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚苯砜或尼龙。

进一步的，高电导率聚合物材料的制备方法为：将高电导率填料以相对于基体聚合物一定的质量比例，填充于普通3D打印用聚合物材料中，得到电导率为10^–6～10²S/m的高电导率聚合物材料；所述高电导率填料为：金属系填料、金属氧化物系填料、无机非金属填料或导电聚合物填料。

进一步的，所述的金属系填料为金、银、铜、镍、镍合金、铝、镁中一种或多种的复合，填料形态为粉末状、鳞片状或纤维状，填充质量百分比控制在10％以下。

进一步的，所述的金属氧化物系填料为氧化锌、氧化铝、二氧化钛、二氧化锡、掺锡氧化铟中一种或多种的复合，填料形态为粉末状或晶须状，填充质量百分比为5～75％；金属氧化物系填料填充前进行表面处理，具体方法为热处理或偶联剂处理，处理用偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸丁酯类偶联剂或铝酸化合物类偶联剂。

进一步的，所述的无机非金属导电填料为碳化硅、GaAs、CuBr、炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或多种的复合，填料形态为粉末状、片状或纤维状，填充质量百分比为5～75％。

进一步的，所述的导电聚合物填料为处于掺杂态的聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚对苯撑乙烯或聚对苯中一种或多种的复合，填料形态为粉末状，填充质量百分比为5～75％，填充过程进行强制共混搅拌或螺杆挤出。

进一步的，绝缘子内部切分成N个几何单元，单元形状为六面体；对于第i个几何单元；1<i<N，其材料电导率σ_i取值如下式所示：

式中，E_i为有限元方法计算得到的第i个单元内部电场强度平均值；E_obj为绝缘子的目标电场强度，根据绝缘子两端电极间电压U和电极间距d决定，取值为E_obj＝U/d；σ_L为低电导率聚合物材料的电导率值；σ_H为高电导率聚合物材料的电导率值。

进一步的，对于第i个几何单元，其电导率的调整通过向低电导率聚合物材料中混入高电导率聚合物材料实现，其中，高电导率聚合物材料的体积分数f₀由以下公式决定：

式中，0<f₀<1；f₁为高电导率聚合物材料中填料的体积分数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，相比较于离心制造技术，能够实现多维度的绝缘子材料电导率空间分布，达到灵活调控直流电压下绝缘子内部及表面电场强度，提升绝缘子击穿电压的目的。

【附图说明】

图1是本发明的方法流程图。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，本发明基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，具体包括以下步骤：

步骤1：构建绝缘子几何形状和电导率空间分布三维CAD模型，将模型分割成多个几何单元并生成模型的STL文件，使用切片软件将STL文件定义的三维CAD模型按照预先设定的层厚模拟分割成不同的层面，计算得到每层的打印轨迹，最终得到3D打印设备所需的G-code控制文件。

步骤2：利用三维有限元方法计算绝缘子内部及表面的电场分布，根据实际绝缘子的电气特性需求，获得绝缘子的电导率空间分布。具体的，绝缘子内部切分成N个几何单元，单元形状为六面体。对于第i个几何单元(1<i<N)，其材料电导率σ_i取值如下式所示：

式中，E_i为有限元方法计算得到的第i个单元内部电场强度平均值；E_obj为绝缘子的目标电场强度，根据绝缘子两端电极间电压U和电极间距d决定，取值为E_obj＝U/d；σ_L为低电导率聚合物材料的电导率值；σ_H为高电导率聚合物材料的电导率值。

步骤3：制备用于电导率梯度绝缘子3D打印的低电导率聚合物材料和高电导率聚合物材料。其中，低电导率聚合物材料为适用于3D打印的各类聚合物材料，包括光敏树脂、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF/PPSU)、尼龙及橡胶等，这些材料均具有较低的电导率，一般为10^–16～10^–8S/m。将高电导率填料以相对于基体聚合物一定的质量比例，填充于低电导率聚合物材料中，得到高电导率3D打印用聚合物材料；而高电导率聚合物材料具有较高的电导率(10^–6～10²S/m)。所述填料具体分为以下几类，第一类为金属系填料；第二类为金属氧化物系填料；第三类为无机非金属导电填料；第四类为导电聚合物填料：

金属系填料包括金、银、铜、镍、镍合金、铝、镁及以上两种或多种的复合，填料形态为粉末状、鳞片状或纤维状，粒度为微米级或纳米级，填充质量百分比控制在10％以下。

金属氧化物系填料，包括氧化锌(ZnO)、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)、二氧化锡(SnO₂)、掺锡氧化铟(ITO)及以上两种或多种的复合，填料形态为粉末状或晶须状，粒度为微米级或纳米级，填充质量百分比为5～75％，填充前需要进行表面处理，具体方法为热处理或偶联剂处理，处理用偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸丁酯类偶联剂或铝酸化合物类偶联剂。

无机非金属导电填料，包括碳化硅、GaAs、CuBr、炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯及以上两种或多种的复合，填料形态为粉末状、片状或纤维状，填充质量百分比为5～75％，粒度为微米级或纳米级或两种粒度的复合。

导电聚合物填料，包括聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚对苯撑乙烯、聚对苯，填料形态为粉末状，粒径为微米级或纳米级或两种粒度的复合，填充质量百分比为5～75％，填充过程需要进行强制共混搅拌(针对光敏树脂)或螺杆挤出(针对其他聚合物材料)。

步骤4：根据步骤2中的电导率空间分布，确定绝缘子内部不同空间位置上两种材料的混合比例。具体的，对于第i个几何单元，其电导率的调整通过向低电导率聚合物材料中混入高电导率聚合物材料实现，其中，高电导率聚合物材料的体积分数f₀(0<f₀<1)由以下公式决定：

式中，σ_i、σ_L、σ_H的定义与权利要求9一致，f₁为高电导率聚合物材料中填料的体积分数。由于高电导率材料制备的时间较长，且在3D打印过程中直接制备填料分散均匀的聚合物材料的难度较大，本发明在3D打印前进行高电导率聚合物材料的制备，能够有效的节省了3D打印的时间，并有效提升了单点材料的混合均匀性。

步骤5：将步骤1中的制造数据输送至3D打印设备，并根据步骤4中确定的混合比例，控制3D打印设备完成电导率梯度绝缘子的3D打印。具体地，在单点材料打印之前，根据步骤4中得到的高电导率聚合物材料的体积分数f₀，将两种材料按通过打印头内混合装置的搅拌转子或螺杆进行高剪切混合，并通过加热器和温度传感器调控混合料的温度，以保证其具有合适的粘度以进行打印。

打印过程中，3D打印指的是根据计算机建模生成的G-code打印控制文件，通过X、Y、Z三轴移动装置，驱动打印头进行电导率梯度绝缘子的3D打印成型工作，具体工作流程为：首先，经混合完成的原料液滴从打印头喷嘴中挤出，并滴落在工作台上，若低电导率聚合物材料为紫外光敏树脂，则使用紫外光或激光光源照射液滴，使其进行光固化，完成单点材料的3D打印；若低电导率聚合物材料为聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF/PPSU)及尼龙等热塑性材料，则直接等待其冷却固化即可。其次，根据计算机建模得到的单层内打印头的移动轨迹，使用X方向和Y方向的移动装置移动打印头；再根据单层材料的电导率分布，调整原料的混合比例，重复进行单点材料的3D打印，以完成单层材料的3D打印。最后，向上Z方向移动打印头，重复单层材料的3D打印，完成多层累加，最终实现电导率梯度绝缘子的制造。

步骤6：对3D打印得到的电导率梯度绝缘子进行后处理，后处理指的是二次热固化(光敏树脂)或机械加工，使其满足电气设备的应用需求。

Claims (10)

1.基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：构建绝缘子几何形状和电导率空间分布三维CAD模型，将模型分割成多个几何单元并生成模型的STL文件，使用切片软件将STL文件转换成3D打印装置的制造数据；

步骤2：利用三维有限元方法计算绝缘子内部及表面的电场分布，根据实际绝缘子的电气特性需求，获得绝缘子的电导率空间分布；

步骤3：制备用于电导率梯度绝缘子3D打印的低电导率聚合物材料和高电导率聚合物材料；

步骤4：根据步骤2中的电导率空间分布，确定绝缘子内部不同空间位置上两种材料的混合比例；

步骤5：将步骤1中的制造数据输送至3D打印设备，并根据步骤4中确定的混合比例，控制3D打印设备完成电导率梯度绝缘子的3D打印；

步骤6：将步骤5制造得到的绝缘子进行后处理，处理方法为二次固化或机械加工。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，所述低电导率聚合物材料为电导率10^–16～10^–8S/m且适用于3D打印的高分子材料。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，所述低电导率聚合物材料为光敏树脂、聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚苯砜或尼龙。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，高电导率聚合物材料的制备方法为：将高电导率填料以相对于基体聚合物一定的质量比例，填充于低电导率聚合物材料中，得到电导率10^–6～10²S/m的高电导率聚合物材料；所述高电导率填料为：金属系填料、金属氧化物系填料、无机非金属填料或导电聚合物填料。

5.根据权利要求4所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，所述的金属系填料为金、银、铜、镍、镍合金、铝、镁中一种或多种的复合，填料形态为粉末状、鳞片状或纤维状，填充质量百分比控制在10％以下。

6.根据权利要求4所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，所述的金属氧化物系填料为氧化锌、氧化铝、二氧化钛、二氧化锡、掺锡氧化铟中一种或多种的复合，填料形态为粉末状或晶须状，填充质量百分比为5～75％；金属氧化物系填料填充前进行表面处理，具体方法为热处理或偶联剂处理，处理用偶联剂为硅烷类偶联剂、钛酸丁酯类偶联剂或铝酸化合物类偶联剂。

7.根据权利要求4所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，所述的无机非金属填料为碳化硅、GaAs、CuBr、炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中一种或多种的复合，填料形态为粉末状、片状或纤维状，填充质量百分比为5～75％。

8.根据权利要求4所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，所述的导电聚合物填料为处于掺杂态的聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚对苯撑乙烯或聚对苯中一种或多种的复合，填料形态为粉末状，填充质量百分比为5～75％，填充过程进行强制共混搅拌或螺杆挤出。

9.根据权利要求1所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，绝缘子内部切分成N个几何单元，单元形状为六面体；对于第i个几何单元,1≤i≤N，其材料电导率σ_i取值如下式所示：

式中，E_i为权利要求1中步骤2计算得到的第i个单元内部电场强度平均值；E_obj为绝缘子的目标电场强度，根据绝缘子两端电极间电压U和电极间距d决定，取值为E_obj＝U/d；σ_L为低电导率聚合物材料的电导率值；σ_H为高电导率聚合物材料的电导率值。

10.根据权利要求9所述的基于3D打印的电导率梯度聚合物绝缘子制造方法，其特征在于，对于第i个几何单元，其电导率的调整通过向低电导率聚合物材料中混入高电导率聚合物材料实现，其中，高电导率聚合物材料的体积分数f₀由以下公式决定：

$f_0{f}_1\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_H-{\mathrm{\&sigma;}}_i}{{\mathrm{\&sigma;}}_H+2{\mathrm{\&sigma;}}_i}\right)+(1-f_0{f}_1)\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_L-{\mathrm{\&sigma;}}_i}{{\mathrm{\&sigma;}}_L+2{\mathrm{\&sigma;}}_i}\right)=0$

式中，0<f₀<1；f₁为高电导率聚合物材料中填料的体积分数。