CN105542399A - 介电功能梯度绝缘子的离心制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，通过施加离心力使高介电填料浓度实现连续梯度分布，从而得到介电参数连续梯度变化的绝缘子。制备方法包括以下步骤：(1)按一定比例配置树脂混合料；(2)真空搅拌脱气；(3)将上述混合料置于特制模具中，并将模具安装在离心机上；(4)启动离心机对混合料进行离心操作；(5)停止离心机，取下模具，在高温环境下对绝缘子进行固化并脱模。本发明中的这种绝缘子制造方法可以实现介电参数在绝缘子内部的连续梯度变化，有效提升绝缘子整体的耐电强度。

Description

介电功能梯度绝缘子的离心制造方法
【技术领域】
本发明属于高电压设备制造领域，具体涉及介电功能梯度绝缘子的离心制造方法。
【背景技术】
在超/特高压电力设备及脉冲功率设备中，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，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/特高压电力设备及脉冲功率设备，其绝缘所承受的电场分布往往极不均匀，特别是绝缘结构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)，由于材料介电参数的急剧变化，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不仅会降低绝缘子的沿面闪络电压，减弱其耐电性能，而且会带来绝缘子的局部放电，加剧绝缘材料的老化。
针对绝缘子内部及其沿面局部电场集中的问题，传统的解决方法主要是通过增大绝缘尺寸、改变电极-介质结构来改善电场分布，传统方法起到效果往往有限，而且过于复杂的绝缘结构不仅给生产制造带来很大的难度，同时也会带来很多附生问题。“功能梯度材料”(FunctionallyGradedMaterial,FGM)的出现为解决这一问题提供了一种全新的思路。该类材料在制备过程中，通过使用先进的工艺，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，以“主动”地克服局部应力集中问题。
FGM的概念也可以引入高电压设备制造领域，因为根据电磁场理论，若能适当增大电场局部集中区域的介电常数/电导率，就可以降低该区域的电场强度，达到均化电场分布的目的。目前，FGM材料的制备方法主要包括气相沉积法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法等，这些方法适用于金属、陶瓷类FGM材料的制备，不适用于主要以环氧树脂为代表的聚合物复合材料构成的高电压设备绝缘子。因此，需要研发针对聚合物复合材料FGM绝缘子的制备工艺，以满足当代及未来高电压设备进一步发展的需要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，通过离心力使绝缘子内部出现填料浓度的空间连续梯度分布，使绝缘子介电参数(介电常数或电导率)在空间上产生连续梯度变化，最终实现连续梯度介电功能梯度绝缘子的制备。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，包括以下步骤：
步骤1、将环氧树脂，固化剂及填料混合，配制树脂混合料；
步骤2、将上述树脂混合料置于真空腔内，加热至80℃，并在真空腔内搅拌树脂混合料，使填料均匀分散，并充分去除其中的气泡；
步骤3、向上述树脂混合料滴入固化促进剂并置于喷涂过脱模剂的绝缘子模具中，然后将绝缘子模具置于离心机上；
步骤4、启动离心机，离心时间为5～60min，离心机转速为5000～10000r/min；
步骤5、停止离心机，将绝缘子模具取出并加热至130℃进行固化，固化时间5h以上，固化完成后脱模制得聚合物功能梯度绝缘子。
进一步的，步骤2中在真空腔内使用机械搅拌方式处理树脂混合料，处理时间为0.5～1h，真空腔中气压小于0.02MPa，最终使填料在树脂混合料内均匀分散，并充分去除其中的气泡。
进一步的，步骤3中固化促进剂为树脂混合料质量的0.1～0.5％。
进一步的，所述环氧树脂为E-44或E-51树脂，固化剂为酸酐类固化剂，固化促进剂为2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚。
进一步的，固化剂为甲基四氢苯酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
进一步的，所述填料为钛酸锶、氧化铝、二氧化钛、钛酸钡、二氧化钡、锆钛酸铅、二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺锡氧化铟、碳化硅、二氧化硅、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，填料形态为圆球状、片状或纤维状，填料粒径范围为0.1～100μm。
进一步的，所述绝缘子模具为同轴柱状、盘式或盆式结构，材质为不锈钢，模具轴心处具有安装孔，能够安装在离心机转轴上。
进一步的，所述介电功能梯度绝缘子中填料浓度呈连续梯度分布。
进一步的，所述填料的介电参数大于环氧树脂的介电参数。
进一步的，所述介电参数为介电常数或电导率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明方法能够通过离心力的作用使填料在绝缘子内部呈连续的径向梯度分布，从而使制得的聚合物绝缘子的介电参数(介电常数/电导率)呈连续的梯度分布，即实现FGM绝缘子的制备提升了绝缘子整体的耐电强度与机械性能。
【附图说明】
图1为本发明的方法流程图；
图2为具体实施方式中介电功能梯度绝缘子的轴向剖面示意图；
图3为实施例一中介电功能梯度绝缘子内部介电常数沿径向的分布图；
图4为实施例一中介电功能梯度绝缘子与平均介电常数的同尺寸环氧树脂绝缘子在相同交流高压电极间沿面电场强度的对比示意图；
图5为实施例二中介电功能梯度绝缘子内部介电常数沿径向的分布图；
图6为实施例二中介电功能梯度绝缘子与平均介电常数的同尺寸环氧树脂绝缘子在相同交流高压电极间沿面电场强度的对比示意图。
【具体实施方式】
介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，包括以下步骤：
步骤1、将环氧树脂，固化剂及填料(单种填料或复合填料)混合，配制树脂混合料；
步骤2、将上述树脂混合料置于真空腔内，加热至80℃，并在真空腔内搅拌树脂混合料，使填料均匀分散，并充分去除其中的气泡；
步骤3、向上述树脂混合料滴入固化促进剂并置于喷涂过脱模剂的绝缘子模具中，然后将绝缘子模具置于离心机上；
步骤4、启动离心机，离心时间为5～60min，离心机转速为5000～10000r/min；
步骤5、停止离心机，将绝缘子模具取出并加热至130℃进行固化，固化时间5h以上，固化完成后脱模制得介电功能梯度绝缘子；该介电功能梯度绝缘子中填料浓度呈连续梯度分布，使得绝缘子的介电参数连续变化。
步骤1中环氧树脂为E-44或E-51树脂，固化剂为酸酐类固化剂，固化促进剂为2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚；固化剂具体可以为甲基四氢苯酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
步骤1中填料为钛酸锶、氧化铝、二氧化钛、钛酸钡、二氧化钡、锆钛酸铅、二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺锡氧化铟、碳化硅、二氧化硅、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，填料形态为圆球状、片状或纤维状，填料粒径范围为0.1～100μm。
实施例一：
请参阅图1及图2所示，本发明介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，包括以下步骤：
步骤1，在常温、常压下将E-51环氧树脂(相对介电常数值为3.5)、甲基四氢苯酐，钛酸锶(平均粒径为1μm，相对介电常数值为332)混合，得到树脂混合料。其中环氧树脂，固化剂，填料的质量分数比为30:30:40。
步骤2，将树脂混合料置于真空腔内(气压为0.02MPa)，加热至80℃，机械搅拌之使填料在混合料内均匀分散，同时充分去除混合料中的气泡，处理时间为0.5h。
步骤3，将混合料降温至常温，向其中滴入2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚固化促进剂(添加质量为上述树脂混合料总质量的0.2％)；并置于喷涂过脱模剂的同轴绝缘子模具中，将绝缘子模具水平安装至离心机上；模具为不锈钢制造，内腔底面直径110mm，内轴直径10mm，内腔高30mm，底部有安装孔与离心机连接。
步骤4，启动离心机，对绝缘子模具内的混合料进行离心操作，温度为25℃，离心加速度为8000r/min，离心时间为60min；
步骤5，停止离心机，取下模具并置于烘箱内，加热至130℃进行固化，固化时间为10h；固化结束后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
通过对制得绝缘子进行切片测量，可以得到绝缘子内部介电常数沿径向的分布，如图3，在通过在电极间加10kV工频交流电压，可以得到制得介电功能梯度绝缘子的离心制造方法与未加填料的同尺寸环氧树脂绝缘子沿面电场幅值的对比图，如图4。可以明显看出：相比较于均质绝缘子，FGM绝缘子的沿面最大场强得到降低，电场分布得到优化。
实施例二：
请参阅图1及图2所示，本发明介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，包括以下步骤：
步骤1，在常温、常压下将E-51环氧树脂(相对介电常数值为3.5)、甲基四氢苯酐，二氧化钛(平均粒径为0.75μm，相对介电常数值为114)及氧化铝(平均粒径为3.3μm，相对介电常数值为9.3)混合，得到树脂混合料。其中环氧树脂，固化剂，填料二氧化钛及填料氧化铝的质量分数比为20:20:20:40。
步骤2，将树脂混合料置于真空腔内(气压为0.02MPa)，加热至80℃，机械搅拌之使填料在混合料内均匀分散，同时充分去除混合料中的气泡，处理时间为0.5h。
步骤3，将混合料降温至常温，向其中滴入2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚固化促进剂(添加质量为上述树脂混合料总质量的0.2％)；并置于喷涂过脱模剂的同轴绝缘子模具中，将绝缘子模具水平安装至离心机上；模具为不锈钢制造，内腔底面直径110mm，内轴直径10mm，内腔高30mm，底部有安装孔与离心机连接。
步骤4，启动离心机，对绝缘子模具内的混合料进行离心操作，温度为25℃，离心加速度为8000r/min，离心时间为60min；
步骤5，停止离心机，取下模具并置于烘箱内，加热至130℃进行固化，固化时间为10h；固化结束后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
通过对制得绝缘子进行切片测量，可以得到绝缘子内部介电常数沿径向的分布，如图5，在通过在电极间加10kV工频交流电压，可以得到制得介电功能梯度绝缘子的离心制造方法与未加填料的同尺寸环氧树脂绝缘子沿面电场幅值的对比图，如图6。可以明显看出：相比较于均质绝缘子，FGM绝缘子的沿面最大场强得到降低，电场分布得到优化。
实施例三：
请参阅图1及图2所示，本发明介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，包括以下步骤：
步骤1，在常温、常压下将E-44环氧树脂(相对介电常数值为3.5)、甲基四氢苯酐，二氧化钛、石墨及二氧化硅混合，得到树脂混合料。其中环氧树脂，固化剂，填料二氧化钛，填料石墨及填料二氧化硅的质量分数比为20:20:20:10:30。
步骤2，将树脂混合料置于真空腔内(气压为0.02MPa)，加热至80℃，机械搅拌之使填料在混合料内均匀分散，同时充分去除混合料中的气泡，处理时间为0.5h。
步骤3，将混合料降温至常温，向其中滴入2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚固化促进剂(添加质量为上述树脂混合料总质量的0.1％)；并置于喷涂过脱模剂的同轴绝缘子模具中，将绝缘子模具水平安装至离心机上；模具为不锈钢制造，内腔底面直径110mm，内轴直径10mm，内腔高30mm，底部有安装孔与离心机连接。
步骤4，启动离心机，对绝缘子模具内的混合料进行离心操作，温度为25℃，离心加速度为5000r/min，离心时间为60min；
步骤5，停止离心机，取下模具并置于烘箱内，加热至130℃进行固化，固化时间为10h；固化结束后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
实施例四：
请参阅图1及图2所示，本发明介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，包括以下步骤：
步骤1，在常温、常压下将E-44环氧树脂(相对介电常数值为3.5)、甲基四氢苯酐、二氧化硅混合，得到树脂混合料。其中环氧树脂，固化剂，填料二氧化硅的质量分数比为20:10:70。
步骤2，将树脂混合料置于真空腔内(气压为0.02MPa)，加热至80℃，机械搅拌之使填料在混合料内均匀分散，同时充分去除混合料中的气泡，处理时间为0.5h。
步骤3，将混合料降温至常温，向其中滴入2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚固化促进剂(添加质量为上述树脂混合料总质量的0.5％)；并置于喷涂过脱模剂的同轴绝缘子模具中，将绝缘子模具水平安装至离心机上；模具为不锈钢制造，内腔底面直径110mm，内轴直径10mm，内腔高30mm，底部有安装孔与离心机连接。
步骤4，启动离心机，对绝缘子模具内的混合料进行离心操作，温度为25℃，离心加速度为10000r/min，离心时间为5min；
步骤5，停止离心机，取下模具并置于烘箱内，加热至130℃进行固化，固化时间为8h；固化结束后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
在众多FGM材料制备方法中，离心制造法在聚合物FGM材料的制造中体现出明显的优势。通过在原始树脂混合料里添加一种或多种高介电填料，然后对该混合料施加离心力，可以使填料粒子依其粒径，形状的不同在混合料中以不同速度移动。因此，通过添加不同介电/维度参数的填料，控制离心力大小及离心时间，可以使填料浓度在最终成型的绝缘子中形成连续的空间梯度分布，由此实现对绝缘子内部介电参数分布的控制。值得注意的是，通过离心法得到的聚合物绝缘子介电参数是连续梯度分布的，而且制得FGM绝缘子相比其他方法内部更加致密，缺陷被有效控制。这两点在工程实践中有非常重要的意义。

Claims (10)

1.介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将环氧树脂，固化剂及填料混合，配制树脂混合料；
步骤2、将上述树脂混合料置于真空腔内，加热至80℃，并在真空腔内搅拌树脂混合料，使填料均匀分散，并充分去除其中的气泡；
步骤3、向上述树脂混合料滴入固化促进剂并置于喷涂过脱模剂的绝缘子模具中，然后将绝缘子模具置于离心机上；
步骤4、启动离心机，离心时间为5～60min，离心机转速为5000～10000r/min；
步骤5、停止离心机，将绝缘子模具取出并加热至130℃进行固化，固化时间5h以上，固化完成后脱模制得介电功能梯度绝缘子。
2.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，步骤2中在真空腔内使用机械搅拌方式处理树脂混合料，处理时间为0.5～1h，真空腔中气压小于0.02MPa，最终使填料在树脂混合料内均匀分散，并充分去除其中的气泡。
3.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，步骤3中固化促进剂为树脂混合料质量的0.1～0.5％。
4.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，所述环氧树脂为E-44或E-51树脂，固化剂为酸酐类固化剂，固化促进剂为2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚。
5.根据权利要求4所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，固化剂为甲基四氢苯酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
6.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，所述填料为钛酸锶、氧化铝、二氧化钛、钛酸钡、二氧化钡、锆钛酸铅、二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺锡氧化铟、碳化硅、二氧化硅、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，填料形态为圆球状、片状或纤维状，填料粒径范围为0.1～100μm。
7.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，所述绝缘子模具为同轴柱状、盘式或盆式结构，材质为不锈钢，模具轴心处具有安装孔，能够安装在离心机转轴上。
8.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，所述介电功能梯度绝缘子中填料浓度呈连续梯度分布。
9.根据权利要求1所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，所述填料的介电参数大于环氧树脂的介电参数。
10.根据权利要求9所述的介电功能梯度绝缘子的离心制造方法，其特征在于，所述介电参数为介电常数或电导率。
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