CN107077918B - 具有增强的击穿强度的电介质材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种击穿强度增强的电介质材料，所述电介质材料包括具有相背对的第一主表面和第二主表面的基础电介质层。第一应力减轻层设置在所述基础电介质层的所述第一主表面上。第二应力减轻层设置在所述基础电介质层的所述第二主表面上。所述第一应力减轻层和第二应力减轻层中的至少一者的体积电导率是所述基础电介质层的体积电导率的至少2倍。
Description
技术领域
本发明涉及具有增强的电介质击穿强度和用于电应用的其它性质的电介质材料。
背景技术
固体电介质绝缘材料通常用作涉及电缆、附件、变压器、电力发电机、电力电容器等的电力应用中的绝缘体，主要用于维持系统电压。典型的电介质绝缘材料包括乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、乙烯丙烯橡胶(EPR)和有机硅。中压和高压电力电缆通常包括导体，其被半导体层然后是电介质绝缘层环绕，以控制该导体周围的电场。绝缘材料还在电缆附件中起到电应力控制的重要作用。地下附件尤其需要提供应力控制，以便将电应力保持和控制在电介质层的击穿水平以下。随着电介质材料的电介质击穿强度增加，需要更薄的绝缘层以使电缆或附件在相同的电压电平下工作。因此，与使用传统绝缘材料制造的电缆和附件相比，包含具有增加的电介质击穿强度的电介质材料的电缆和附件可以制造得更小、更轻，并且成本更低，并具有相当的电压性能。这在传输电压下尤其重要，但对于中压类电缆和附件也很重要。
随着全球电力需求的不断上升，仍然需要改进中压和高压功率器件。因此，需要具有增加的电介质击穿强度的绝缘材料。
发明内容
根据本发明的第一方面，击穿强度增强的电介质材料包括具有相背对的第一主表面和第二主表面的基础电介质层。第一应力减轻层设置在基础电介质层的第一主表面上。第二应力减轻层设置在基础电介质层的第二主表面上。第一应力减轻层和第二应力减轻层中的至少一者的体积(体)电导率是基础电介质层的体积电导率的至少2倍。
在另一方面，所述应力减轻层中的至少一者包含分散在粘结剂材料中的填充材料。
在另一方面，第一应力减轻层和第二应力减轻层中的至少一者包含半导体填充材料。
在另一方面，半导体填充材料包括选自硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、砷化硼(BAs)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)、磷化镓(GaP)、磷化硼(BP)、锑化铝(AlSb)、砷化铝(AlAs)、磷化铝(AlP)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硫化铜(Cu2S)、硫化银(Ag2O)、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、磷化镍(II)(Ni P)、硫化锡(II)(SnS)、二硫化锡(IV)(SnS2)、硫化铅(II)(PbS)、硒化铅(PbSe)、氧化亚铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)、氧化镍II(NiO)、二氧化锡(SnO2)、氧化锡(II)(SnO)、二氧化钼(MoO2)、二氧化钛(TiO2)、砷化镓银(AgGaAs)和钛酸钡(BaTiO3)的材料。
在另一方面，半导体填充材料包括低带隙半导电材料。
在另一方面，填充材料包括选自掺杂半导体和在合成期间形成的晶格结构中具有空位和间隙缺陷的半导体的材料。
在另一方面，填充材料包括高带隙(绝缘)材料。
在另一方面，填充材料包括选自氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、云母和氧化铝(Al2O3)的材料。
在另一方面，填充材料包括选自金属、石墨烯、炭黑、碳纳米管、掺杂半导体以及它们的组合的导电材料。
在另一方面，应力减轻层中的至少一者包含相对于该层的总体积约0.5体积％至约100体积％的填充材料。
在另一方面，填充材料包括一种或多种颗粒，每种颗粒的形状选自球体、板、小片、立方体、针状、扁圆、球状体、棱锥、棱柱、薄片、棒、纤维、碎片、须以及它们的混合物。
在另一方面，每种填充材料颗粒的尺寸可为约10nm至约100μm。
在另一方面，第一应力减轻层和第二应力减轻层中的至少一者包含粘结剂材料。
在另一方面，粘结剂材料包含聚合物。
在另一方面，粘结剂材料包含选自有机硅、聚氯乙烯、EPDM橡胶、EPR、EVA、聚酰亚胺、含氟聚合物、环氧树脂、聚硫化物、聚乙烯和聚酯的聚合物。
在另一方面，每个应力减轻层还包含添加剂。
在另一方面，添加剂包含溶剂、分散剂、消泡剂和表面活性剂中的至少一种。
在另一方面，第一应力减轻层和第二应力减轻层由不同的材料形成。
在另一方面，基础电介质层包含选自聚合物和绝缘材料的材料。
在另一方面，基础电介质层包含有机硅、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯和聚酯中的一种。
在另一方面，每个应力减轻层具有约1×10-12S/m至约1×10-8S/m的体积电导率。
在另一方面，每个应力减轻层具有约1×10-11S/m至约1×10-9S/m的体积电导率。
在另一方面，基础电介质层具有约1×10-12S/m至约1×10-10S/m的体积电导率。
在另一方面，每个应力减轻层包含的MoS2填充材料的浓度基于该应力减轻层的总体积为约0.8体积％至约12体积％。
在另一方面，每个应力减轻层包含的WS2填充材料的浓度基于该应力减轻层的总体积为约0.5体积％至约16体积％。
在另一方面，每个应力减轻层包含的硅填充材料的浓度基于该应力减轻层的总体积为约2体积％至约15体积％。
在本发明的另一方面，电力电缆包括导体、环绕该导体的第一屏蔽层和包含本文所述的击穿强度增强的电介质材料的绝缘层。电力电缆还包括环绕所述绝缘层的第二屏蔽层和环绕所述第二屏蔽层的保护套。
在本发明的另一方面，电介质应力控制装置包括具有绝缘层的成型体，该绝缘层包含本文所述的击穿强度增强的电介质材料。
在本发明的另一方面，电缆附件包含本文所述的击穿强度增强的电介质材料。
如本发明中所用的：
“应力减轻层”是指减少高电应力区域(例如在电介质基础材料和导电电极的界面处)并且可包含例如填充材料和电介质粘结剂材料的混合物的绝缘层。
“绝缘层”是指体积电导率小于约10-5S/m的材料。
“增强的击穿强度”是指多层材料的击穿强度大于基础电介质材料的击穿强度。
本发明的上述发明内容并非旨在描述本发明的每个公开的实施方案或每种实施方式。以下附图和具体实施方式更具体地说明示例性实施方案。
附图说明
图1是根据本发明第一方面的增强的击穿强度材料的侧视图。
图2是根据本发明另一方面的包含增强击穿强度材料的电力电缆的等轴视图。
图3A是显示涂覆有不同的相对低带隙半导电填料的应力减轻层的有机硅衬底，其击穿强度与装填量的关系的图。
图3B是显示涂覆有不同的相对高带隙半导电填料的应力减轻层的有机硅衬底，其击穿强度与装填量的关系的图。
图3C是显示涂覆有不同的电子导电半导电填料的应力减轻层的有机硅衬底，其击穿强度与装填量的关系的图。
图3D是显示涂覆有不同的绝缘填料的应力减轻层的有机硅衬底，其击穿强度与装填量的关系的图。
图4是显示涂覆有MoS2和硅填料的应力减轻层的有机硅衬底在高温下浸入水中时，其电介质击穿强度与时间的关系的图。
图5是显示电介质击穿强度随包含二硫化钼的应力减轻层的厚度变化的图。
图6是显示电介质击穿强度随电介质基础材料的厚度变化的图，所述电介质基础材料已经在两侧上涂覆有含4.4％MoS2填料的厚应力减轻涂层。
虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但其具体形式已在附图中以举例的方式示出并将做详细描述。然而，应当理解，其目的不是将本发明限制于所描述的具体实施方案。相反，其目的在于涵盖落入所附权利要求书所限定的本发明的范围之内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
在下面优选实施方案的具体实施方式中，参照了作为具体实施方式一部分的附图。附图通过举例说明的方式示出了可以实践本发明的具体实施方案。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以采用其它实施方案，并且可以进行结构性或逻辑性的修改。因此，下列详细描述不应从限制的意义上去理解，并且本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
在电力工业中需要更薄、更轻和更紧凑的部件来增加现有基础设施中的功率容量。电流绝缘材料的电介质击穿强度的限制通常被视为对于相同电压电平的这种更薄、更轻和更可靠部件的阻碍。如本文所述，与常规材料相比，本发明的电介质材料实施方案可提供绝缘击穿强度的显著增加。这种增强的击穿强度的电介质材料可用于制造所有具有减小的绝缘厚度和改善的电介质击穿强度的电力电缆和附件，例如接头和端子(包括模块化附件)、绝缘胶带和纸等。本发明的另外的实施方案可提供耐水性，允许在潮湿条件下进行更可靠的电力电缆附件操作。
图1示出本发明的第一方面，增强的击穿强度多层材料100。材料100包括具有第一相对主表面121和第二相对主表面122的基础电介质层(或衬底)120。第一应力减轻层110设置在基础电介质层120的第一主表面121上。第二应力减轻层130设置在基础电介质层120的第二主表面122上。如本文的多个实施例所示，在本发明的一个方面中，第一应力减轻层110的体积电导率为基础电介质层120的体积电导率的至少2倍。在另一方面，第一应力减轻层和第二应力减轻层110的体积电导率是基础电介质层120的体积电导率的2倍至100倍。当多层材料与半导电或导电材料(例如在电力电缆中)接触时，基础电介质层和应力减轻层之间的体积电导率差异水平将电导率梯度引入到结构中。因此，每个界面应力减轻层的电导率优选地高于基础层的电导率并低于半导电或导电材料的电导率。当存在应力减轻层时，存在于基础电介质层的表面上的表面缺陷(例如电荷陷阱)对于电介质击穿变得较不显著。
在本发明的一个方面，每个应力减轻层具有约1×10-12S/m至约1×10-8S/m的体积电导率。例如，在一个特定方面，第一应力减轻层和第二应力减轻层各自具有约1×10-11S/m至约1×10-9S/m的体积电导率。
在本发明的另一方面，基础电介质层具有约1×10-12S/m至约1×10-10S/m的体积电导率。
此外，多层材料100的击穿强度还可取决于第一应力减轻层和第二应力减轻层的厚度。在一个方面，第一应力减轻层和第二应力减轻层具有约5nm至约80密耳(2mm)的厚度。还参见图5，其将在下文进一步详细论述，其示出了击穿强度随应力减轻层厚度的变化。
用于本发明实施方案的电介质衬底(基础电介质层)的合适材料包括例如聚合物，诸如有机硅、聚氯乙烯、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、乙烯丙烯橡胶(EPR)、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、聚酰亚胺、含氟聚合物、环氧树脂、聚硫化物、聚乙烯和聚酯。用于基础电介质层的其它示例性材料包括绝缘材料，诸如云母。其它合适的电介质层材料可包括例如下表2中列出的那些基础电介质材料。
应力减轻层可各自包含分散在粘结剂材料中的填充材料。在一些优选实施方案中，填充材料包括半导电材料。示例性的无机半导电材料包括但不限于：硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、砷化硼(BAs)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)、磷化镓(GaP)、磷化硼(BP)、锑化铝(AlSb)、砷化铝(AlAs)、磷化铝(AlP)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硫化铜(Cu2S)、硫化银(Ag2O)、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、磷化镍(II)(NiP)、硫化锡(II)(SnS)、二硫化锡(IV)(SnS2)、硫化铅(II)(PbS)、硒化铅(PbSe)、氧化亚铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)、氧化镍II(NiO)、二氧化锡(SnO2)、氧化锡(II)(SnO)、二氧化钼(MoO2)、二氧化钛(TiO2)、砷化镓银(AgGaAs)和钛酸钡(BaTiO3)。在一些实施方案中，填充材料包括导电聚合物，诸如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚苯撑、聚(对苯硫醚)及其衍生物。在另一方面，填充材料包括低带隙半导电材料。在另一个示例性实施方案中，填料还可包括掺杂半导体或在合成期间形成的晶格结构中具有空位和间隙缺陷的半导体。在其它实施方案中，填充材料可包括诸如氮化硼(BN)、氮化铝(A1N)、云母或氧化铝(Al2O3)的绝缘材料。填充材料还可包括导电材料，诸如金属、石墨烯、炭黑或碳纳米管。其它合适的填充材料可包括例如下表1中所列的那些材料。填充材料可包括一种类型的材料或两种或更多种材料的组合。
粘结剂材料可选自大范围的材料，包括聚合物。用于本发明的粘结剂材料的合适材料包括例如与上面针对基础电介质层所列出的材料相同的材料：诸如有机硅、聚氯乙烯、EPDM橡胶、EPR、EVA、聚酰亚胺、含氟聚合物、环氧树脂、聚硫化物、聚乙烯和聚酯的聚合物。其它合适的粘结剂材料可包括例如下表2中所列出的那些粘结剂材料。在一些优选实施方案中，粘结剂材料可以是与基础电介质衬底材料相同的材料。
在一个方面，应力减轻层可各自包含相对于该层的总体积的约0.5体积％至约100体积％的填充材料。优选地，应力减轻层可各自包含约0.5体积％至约21体积％的填充材料。更优选地，应力减轻层可各自包含约2体积％至约14体积％的填充材料。
在一个方面，可使用低带隙半导体填充材料以便在更低的装填量下实现电导率梯度。
如果填充材料为颗粒，则其可以具有任何合适的形状如球体、板、小片、立方体、针状、扁圆、球状体、棱锥、棱柱、薄片、棒、纤维、碎片、须等或它们的混合物。在一个方面，每种填充材料颗粒的尺寸可为约10nm至约100μm。
所述组合物还可以包含其它熟知的用于这些材料的添加剂，以例如改进其加工性能和/或对特定应用的适宜性。合适的添加剂包括溶剂、分散剂、消泡剂和表面活性剂。
第一应力减轻层和第二应力减轻层可具有相同或不同的组成。
如以下实施例中所示，具有由一个或多个应力减轻层覆盖在每个主表面上的基础电介质层的多层材料产生的击穿强度远大于基础电介质层本身或由应力减轻层仅覆盖在一个主表面上的基础电介质层的击穿强度。
多层材料100可以使用常规工艺制备，例如喷涂、浸涂或棒涂，如在下文所述的一个或多个实施例中所述。在一些实施方案中，基础电介质层的表面可用干粉绝缘材料摩擦或抛光，以沉积具有几纳米至几微米厚度的应力减轻层。以这种方式形成的应力减轻层可包括例如层状(片状)半导体，诸如二硫化钼或二硫化钨，或它们的组合。
本文所述的实施方案的组合物可用于各种应用的各种制品中，例如喷射物、涂层、乳香脂、带材和具有明确构造的成型体。本文所述的实施方案的组合物特别适用于应力控制元件或装置如高压电缆附件，其中所述组合物的高电介质击穿强度性质是有用的。可以制造电介质应力控制装置，其介电性能及其几何构型根据相应应用场所存在的电场的所需改变而设计。这些应力控制装置可包含本文所述的本发明的不同组合物中的一种或多种。
在特定方面，电介质应力控制装置或元件可包括可被放置在电缆绝缘体和/或护套的末端上的成型体，例如套筒。具有其它几何构造的应力控制装置或元件可用于防止不可接受地高的局部场集中，例如在高压电缆的负载断开弯头、过渡或贯穿接头、引线和分支中。
在至少一个实施方案中，组合物具有弹性体性质。这可允许制造适合于不同尺度或尺寸的电结构部件的冷缩电介质应力控制装置。例如在套筒的情况下，组合物可以具有充分的回弹性以适用于电缆绝缘和/或不同厚度尺度。
另外，如在实施例中进一步示出的，本文所述的高击穿强度材料的实施方案可在水老化试验中提供改善的电性能。
例如，本发明的制品可用于一种或多种以下应用：
(i)电缆的绝缘体，其中该绝缘体位于导体与主电介质之间或者电缆屏蔽与主电介质之间。
(ii)电缆的绝缘体，如在美国专利3,666,876中所述的层状结构中。
(iii)用于电缆端子的应力控制覆盖物。这样的应力控制措施可以呈喷射物、涂层、乳香脂、模制件、管或带的形式并可根据需要有或无外保护层地使用。
(iv)用于机器中定子线棒端部或绝缘电导体端部例如马达绕组的应力控制覆盖物。
(v)避雷器中的应力控制部件。
(vi)绝缘体的部件，其中所述材料可以是外层或内部部件；例如，用于提供张力中止绝缘器、支柱绝缘器或套管绝缘器的挡板或管。
特别地，对于电缆和电缆附件，使用本文所述的增强的击穿强度多层材料实施方案可减少标准中压端子、接头和模块化电缆附件中所需的绝缘材料的量。本文所述的增强的击穿强度多层材料实施方案还可用于传输电缆附件中，因为可实现绝缘材料减少最高达50％，从而使成本和产品重量降低。此外，还可以大大减少电力电缆所需的绝缘体量。相应地，当绝缘体的OD(外径)减小时，将需要更少的半导电绝缘护套。在一种实施方式中，电缆外径的这种总体减小将允许公用事业设备更换现有市区管道中的现有PILC电缆，并且通过系统获得相同或更多的功率。
例如，在本发明的另一方面，电力电缆可包括本文所述的增强的击穿强度多层材料。图2示出了示例性电力电缆200，其包括由导体屏蔽层204环绕的导体202。导体屏蔽层204包含导电或半导电材料。包含本文所述的增强的击穿强度多层材料的绝缘层100环绕导体屏蔽层204。绝缘屏蔽层206环绕绝缘层100。绝缘屏蔽层206包含由导体层207环绕的半导电材料。保护外套208环绕大功率电缆。
实施例
以下提供的实施例和比较例有助于理解本发明，且这些实施例和比较例不应被理解为对本发明范围的限制。除非另外指明，否则所有的份数和百分比均按体积计。使用下述测试方法和方案来评估以下说明性实施例和比较例：
材料列表
表1.填充材料
表2.其它材料
表3.测试方法
体积电导率使用以下公式由介电常数K、频率f和介电损耗因子tan(δ)计算：
电导率＝tan(δ)2πfε0 K
其中ε0是真空电容率(8.85×10-12F/m)。
样品制备
除非另有说明，否则示例性和说明性的电介质击穿强度增强材料按如下方式制备。使用快速混合器(来自弗莱克泰克有限公司(Flack Tek，Inc.)的DAC 150FVZ)将填充材料和粘结剂的混合物在2500rpm下快速混合3分钟，以形成应力减轻涂层。如果需要促进分散，首先将一些填充材料在OS20中以约10重量％的填料的量预混合以制备稠浆料，然后将其与粘结剂材料快速混合。按照制造商推荐的程序制备电介质基础材料板(3英寸×6英寸×34-40密耳厚)。然后将应力减轻层棒涂到电介质基础衬底上以获得薄层(1-2密耳厚)。将经涂覆的衬底在室温下固化过夜。为了在两侧上形成涂层，随后将每个衬底翻转到另一侧，用第二应力减轻涂层涂覆，并在室温下再次固化过夜。这种多层材料结构在图1中图解示出。
结果
用于制备比较例和说明性实施例的电介质基础材料的体积电导率值提供在表4中。
表4.
| 电介质衬底 | 电导率(S/m) |
| 有机硅 | 4.68E-12 |
| 聚酯(PET) | 1.12E-11 |
| 聚酰亚胺(KAPTON) | 1.27E-11 |
| 高密度聚乙烯(HDPE) | 2.02E-12 |
| PVDF(KYNAR) | 6.84E-11 |
表5总结了具有各种结构的样品的介电性能。对于比较例CE1，将不含填料的RTV有机硅涂层(Semicosil 960)施加到LSR电介质基础材料板的两侧。使用在Semicosil 960RTV有机硅中含有4.4体积％(v％)二硫化钼(MoS2)的应力减轻材料来制备实施例1和2以及比较例CE2和CE3。对于实施例1，如前所述，将4.4v％MoS2/RTV涂层施加到LSR电介质基础材料板的两侧。对于实施例2，如针对实施例1所述，在LSR衬底的两侧涂覆4.4v％MoS2/RTV涂层，然后四个边缘也通过浸涂法用4.4v％MoS2/RTV涂层涂覆，以确保有机硅衬底被完全封装在应力减轻涂层中。CE2包括具有仅施加到一侧的4.4v％MoS2/RTV有机硅涂层的LSR板。对于CE3，通过将MoS2/RTV有机硅材料在3英寸×3英寸(7.6cm×7.6cm)模具中在室温下固化过夜来制备在RTV有机硅中的39密耳(0.99mm)厚的MoS2自立型片。对于实施例3，在LSR衬底的两侧上用MoS2干粉抛光(擦亮)，然后用压缩空气吹制以除去衬底表面上的任何自由流动的粉末。
如表5所示，与具有不含半导电填料的涂层的LSR样品(CE1)相比，实施例1、2和3都显示出电介质击穿强度的显著增加。与CE1相比，MoS2/RTV有机硅的自立型片(CE3)没有显示出电介质击穿强度的改善。相比CE1，仅在一侧涂覆有应力减轻材料的样品(CE2)的电介质击穿测试数据未显示可测量的改善。
表5.
表6总结了两侧上涂覆有具有不同量的MoS2的MoS2/Semicosil 960 RTV涂层的LSR电介质基础材料样品的介电性能。表7总结了两侧上涂覆有具有不同量的WS2的WS2/Semicosil 960 RTV涂层的LSR电介质基础材料样品的介电性能。从表6和表7可以看出，随着应力减轻涂层中MoS2和WS2半导电填充材料的装填量增加，这些样品的电介质击穿强度显示出显著的增加。事实上，与没有应力减轻涂层的有机硅LSR电介质基础材料(CE1)相比，电介质击穿强度增加了约100％。
表6.
表7.
表8比较了在两侧都涂覆有含有MoS2的应力减轻涂层的各种电介质基础材料与在两侧都涂覆有未填充的粘结剂涂层的相同电介质基础材料。涂层厚度为约1-2密耳(0.0254mm-0.05mm)。对于每组实施例，计算了电介质击穿强度的百分比增加。与相应比较例CE1和CE4-CE10相比，所有实施例1和11-17显示出电介质击穿强度的显著增加。
表8.
*表8中用于样品的RTV是Semicosil 960 RTV
制备在Semicosil 960 RTV粘结剂中包含各种类型和量的填料(以体积百分比表示)的涂层的自立型片，并测量介电性能。结果提供于表9中。
表9.
*测量期间观察到火花
表10提供了与Semicosil 960 RTV有机硅基础电介质衬底相比，在两侧上涂覆有表9中所述的应力减轻涂层的LSR电介质基础材料的电介质击穿强度。电导比计算为每个应力减轻层的体积电导率(来自表9)与RTV有机硅基础电介质层的体积电导率(4.68×10-12S/m)的比率。结果提供于表10中。
表10.
*测量期间观察到火花
图3A至图3D示出了表10中的数据以及另外的填料和填料装填量的数据。图3A和图3B示出了用半导电填料制成的样品的介电强度。图3C示出了用电子导电填料制成的样品的介电强度。图3D示出了用包含绝缘填料的涂层制成的样品的介电强度。在每个图中，对照样品是指在两侧都涂覆有未填充的Semicosil 960 RTV粘结剂的LSR基础电介质材料(CE1)。图3A至图3D证明，与具有未填充的RTV有机硅的LSR电介质基础材料板相比，基于电子导电或半导电填料的应力减轻层显示出电介质击穿强度的增强。然而，在具有电子导电填料的样品中观察到漏电痕迹和火花，如表10所示。因此，尽管导电填料增加了电介质击穿强度，但是半导电填料可能优于导电填料，这是因为它们能够以更可控的方式增加电介质击穿强度。含高导电性填料的涂层显示出电介质击穿强度的降低。绝缘填料对电介质击穿强度没有可测量的影响。
表9和表10以及图3A至图3D中所示结果的比较证明，应力减轻层的体积电导率在电介质击穿增强中起主要作用。例如，具有在1×10-12S/m至约1×10-8S/m范围内的体积电导率的材料在有机硅衬底上提供合适的应力减轻层。
本发明的材料还展示了在高温下在湿条件下老化之后的增强的电介质击穿强度性能。制备了三种类型的应力减轻层涂层并涂覆在LSR电介质基础材料的两侧上，如表11中所述。为了促进硅粉末在RTV 615有机硅电介质粘结剂中的分散，首先在OS20中将硅粉末以约10重量％的粉末的量预混合以制备稠浆料，然后如之前所述将其与RTV 615快速混合。涂层中硅与有机硅电介质粘结剂的最终比率为约30重量％(14.6v％)。还通过使用MoS2作为半导电填料在有机硅衬底上制备了类似的多层结构。还制备了具有薄RTV涂层(不含半导电填料)的多层有机硅衬底作为比较例CE11。通过将样品浸入在90℃的对流烘箱中的水中来老化样品。定期取出样品，通过用布轻轻擦拭除去表面水。在从烘箱中取出后立即测量电介质击穿强度。
表11和图4示出了在90℃水中老化后电介质击穿强度的变化。在老化之前，实施例52和53的电介质击穿强度相对于比较例CE11显示出超过100％的增强。在水老化之后，半导电衬底的电介质击穿强度降低并且在一段时间后趋平。在电介质击穿强度方面，与实施例53(在106天后为约49％)相比，实施例52显示出更高的保留率(在130天后为约68％)。虽然CE11的电介质击穿强度随时间推移没有显示任何可测量的降低，但是在130天的水老化之后，实施例52的电介质击穿强度(868V/密耳)高于CE11的电介质击穿强度(616V/密耳)，并且实施例53的电介质击穿强度(629V/密耳)与CE11的电介质击穿强度大致相同。此外，在这些电介质击穿测试期间，实施例52没有显示可见的放电。
表11.
还研究了应力减轻涂层厚度对电介质击穿强度的影响。在20密耳厚的LSR有机硅电介质基础材料片两侧上涂覆各种厚度的应力减轻涂层，所述涂层在Semicosil 960 RTV有机硅粘结剂中含有4.4v％MoS2填料。应力减轻涂层厚度在约0.8密耳至约18密耳(0.02mm至0.46mm)之间变化，得到范围从约21.6密耳至约56.6密耳(0.55mm至1.44mm)的总样品厚度。为了比较，还制备了具有相当的总厚度的一组未涂覆LSR有机硅板(CE12)。结果示于图5中，这证明对于薄应力减轻涂层，电介质击穿强度的改善是最大的。
在两侧用在Semicosil 960 RTV有机硅粘结剂中含有4.4v％MoS2填料的5密耳(0.13mm)厚的应力减轻涂层涂覆各种厚度的LSR有机硅电介质基础材料。还测试了具有相当的总厚度的未涂覆LSR有机硅板用于比较(CE12)。电介质击穿强度测量值如图6所示，这表明即使当应力减轻涂层的厚度变为占总样品厚度的较小比例时，也能获得电介质击穿强度的改善。
还评估了本发明的应力减轻涂层在电接头中的性能。将包含20重量份MoS2和80重量份Semicosil 960 RTV的涂覆溶液用20重量份OS20稀释以降低粘度。将内径为0.38英寸(9.65mm)、长度为约8英寸(20cm)和12英寸(30cm)的可冷缩硅胶管以该溶液浸涂，以在管的内表面和外表面上获得均匀的涂层。除去OS20溶剂后，涂层的最终组成为4.4体积％(20重量％)MoS2。然后将冷缩管膨胀到可移除的支撑芯上。比较例CE12和CE13是未涂覆的。
接头如下组装。制备15kV 1/0AWG电力电缆的两端，用于接头安装。将可冷缩样品管停放在电缆之一上，并且用连接器连接电缆的端部。连接器用延伸到电缆绝缘体上的半导电胶带(SCOTCH 13胶带(SCOTCH 13 Tape)，得自美国3M公司(3M Company，US))覆盖。然后用氟碳油脂(P55/R，得自美国3M公司(3M Company，US))覆盖电缆绝缘体、半导电胶带和电缆的半导电层的边缘，以填充任何气隙。然后将硅胶管安装在电缆上，通过移除支撑芯并遵循3M冷收缩安装过程，使管的每端延伸至少0.5英寸(1.27cm)到每一端上的电缆半导电层上。将管用半导电胶带外裹，然后将金属网(SCOTCH 24电屏蔽胶带(SCOTCH 24Electrical Shielding Tape)，得自美国3M公司(3M Company，US))施加到所述管上，从一根电缆的金属屏蔽件到达另一根电缆上的金属屏蔽件。最后，用乙烯基电工胶带覆盖整个接头。
然后评价接头在高压下的性能。进行局部放电试验，然后进行AC步骤试验，其中AC电压每5分钟增加5kV。试验结果汇总于表12。在表12中，CSV是指电晕起始电压，CEV是指电晕熄灭电压。对于长度为8英寸的实施例54和55，故障没有穿透绝缘体发生；相反，该故障沿着管和电缆绝缘体之间的接触面向下延伸。对于12英寸样品，使用二硫化钼涂覆的硅胶管(实施例56，＞70kV)的电缆接头的AC步进故障级别显著高于使用未涂覆的硅胶管(CE13，＜40kV)的电缆接头的AC步进故障级别。对于实施例56，应力减轻涂层没有完全覆盖硅胶管的内表面，这可导致降低的击穿水平和径向故障。
表12.
虽然本文出于说明优选实施方案的目的对具体实施方案进行了举例说明和描述，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，各种替代和/或等同实施方式可以取代举例说明和描述的具体实施方案。本专利申请旨在涵盖本文所讨论优选实施方案的任何修改和更改。因此，本发明显然旨在仅受本发明权利要求书及其等同形式的限制。
Claims (16)
1.一种击穿强度增强的电介质材料，所述电介质材料包括：
基础电介质层，所述基础电介质层具有相背对的第一主表面和第二主表面，
第一应力减轻层，所述第一应力减轻层设置在所述基础电介质层的所述第一主表面上，以及
第二应力减轻层，所述第二应力减轻层设置在所述基础电介质层的所述第二主表面上，
其中所述第一应力减轻层和所述第二应力减轻层中的至少一者的体积电导率与所述基础电介质层的体积电导率的比率大于或等于2，其中每个应力减轻层包含MoS2填充材料，所述MoS2填充材料的浓度基于所述应力减轻层的总体积为0.8体积％至12体积％。
2.根据权利要求1所述的击穿强度增强的电介质材料，其中所述填充材料分散在粘结剂材料中。
3.根据权利要求2所述的击穿强度增强的电介质材料，其中所述填充材料包括一种或多种颗粒，每种颗粒的形状选自球体、板、小片、立方体、针状、扁圆、球状体、棱锥、棱柱、薄片、棒、纤维、碎片、须以及它们的混合物。
4.根据权利要求3所述的击穿强度增强的电介质材料，其中每个填充材料颗粒的尺寸可为10nm至100μm。
5.根据权利要求1所述的击穿强度增强的电介质材料，其中所述第一应力减轻层和所述第二应力减轻层中的至少一者包含粘结剂材料，其中所述粘结剂材料包含选自有机硅、聚氯乙烯、EPDM橡胶、EPR、EVA、聚酰亚胺、含氟聚合物、环氧树脂、聚硫化物、聚乙烯和聚酯的聚合物。
6.根据权利要求1所述的击穿强度增强的电介质材料，其中所述基础电介质层包含选自聚合物和绝缘材料的材料。
7.根据权利要求1所述的击穿强度增强的电介质材料，其中每个应力减轻层具有1×10-12S/m至1×10-8S/m的体积电导率。
8.一种电力电缆，所述电力电缆包括：
导体；
环绕所述导体的第一屏蔽层；
绝缘层，所述绝缘层包含根据权利要求1所述的击穿强度增强的电介质材料；
环绕所述绝缘层的第二屏蔽层；以及
环绕所述第二屏蔽层的保护套。
9.一种电介质应力控制装置，所述电介质应力控制装置包括含有绝缘层的成型体，所述绝缘层包含根据权利要求1所述的击穿强度增强的电介质材料。
10.一种乳香脂，所述乳香脂包含根据权利要求1所述的击穿强度增强的电介质材料。
11.一种带材，所述带材包含根据权利要求1所述的击穿强度增强的电介质材料。
12.一种击穿强度增强的电介质材料，所述电介质材料包括：
基础电介质层，所述基础电介质层具有相背对的第一主表面和第二主表面，
第一应力减轻层，所述第一应力减轻层设置在所述基础电介质层的所述第一主表面上，以及
第二应力减轻层，所述第二应力减轻层设置在所述基础电介质层的所述第二主表面上，
其中所述第一应力减轻层和所述第二应力减轻层中的至少一者的体积电导率与所述基础电介质层的体积电导率的比率大于或等于2，其中每个应力减轻层包含WS2填充材料，所述WS2填充材料的浓度基于所述应力减轻层的总体积为0.5体积％至16体积％。
13.一种电力电缆，所述电力电缆包括：
导体；
环绕所述导体的第一屏蔽层；
绝缘层，所述绝缘层包含根据权利要求12所述的击穿强度增强的电介质材料；
环绕所述绝缘层的第二屏蔽层；以及
环绕所述第二屏蔽层的保护套。
14.一种电介质应力控制装置，所述电介质应力控制装置包括含有绝缘层的成型体，所述绝缘层包含根据权利要求12所述的击穿强度增强的电介质材料。
15.一种乳香脂，所述乳香脂包含根据权利要求12所述的击穿强度增强的电介质材料。
16.一种带材，所述带材包含根据权利要求12所述的击穿强度增强的电介质材料。
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