CN107418146B - 绝缘子材料、绝缘子及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种绝缘子材料、绝缘子及制备方法，其原料主要由环氧树脂、固化剂、微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料组成；按重量份数计，环氧树脂、固化剂、微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料的重量比为100份：25～35份：5～55份：5～55份；其中，微米碳化硅填料的粒径为10～50μm，纳米碳化硅填料的粒径为50～100nm。上述绝缘子材料，采用微米和纳米两种不同尺寸级别的碳化硅填料复配，通过固化剂的作用掺杂到环氧树脂中，充分发挥了两者与环氧树脂的协同作用，并控制配比，其具有与碳化硅类似的非线性电导特性。该绝缘子材料应用于绝缘子，能够较好地改善绝缘子表面电场分布，使绝缘子表面电场分布均化，从而减小局部电场畸变率，降低绝缘子沿面放电或闪络等故障。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，特别是涉及一种绝缘子材料、绝缘子及制备方法。
背景技术
随着国民经济的高速发展，电力工业的地位越来越重要。GIS(Gas insulatedswitch gear，气体绝缘金属封闭开关设备)由于具有占地面积小，可靠性高，配置及安装灵活等优点，被广泛地应用在变电站等电力系统中。盆式绝缘子作为GIS设备的重要绝缘结构，对GIS的稳定运行和整个电网的安全起着决定性的作用。研究显示，在GIS运行过程中，盆式绝缘子表面局部电场畸变很严重，使其表面容易积聚大量的表面电荷并造成沿面闪络。而据国内外调查得知，盆式绝缘子沿面放电或闪络故障是造成GIS绝缘故障的最重要原因。因此，对于改善绝缘子表面电场分布、降低绝缘子的故障的研究，成为提高电力系统安全性和可靠性的重要途径。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够较好地改善绝缘子表面电场分布及降低绝缘子的故障的绝缘子材料、绝缘子及制备方法。
一种绝缘子材料，其原料主要由环氧树脂、固化剂、微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料组成；按重量份数计，所述环氧树脂、所述固化剂、所述微米碳化硅填料和所述纳米碳化硅填料的重量比为100份：25～35份：5～55份：5～55份；其中，所述微米碳化硅填料的粒径为10～50μm，所述纳米碳化硅填料的粒径为50～100nm。
上述绝缘子材料，采用微米和纳米两种不同尺寸级别的碳化硅填料复配，通过固化剂的作用掺杂到环氧树脂中，充分发挥了两者与环氧树脂的协同作用，并控制配比，使得碳化硅粒子间的平均距离较小，同时丰富了环氧树脂和碳化硅填料之间的界面，从而改善了绝缘子材料中局部电场，使得绝缘子材料在宏观较低场强下表现出非线性电导特性，且在较大场强时容易形成隧道效应，因而载流子可直接穿越环氧树脂层，从而形成较大的导电电流。且该绝缘子材料具有与碳化硅类似的非线性电导特性。该绝缘子材料应用于绝缘子，能够较好地改善绝缘子表面电场分布，使绝缘子表面电场分布均化，从而减小局部电场畸变率，降低绝缘子沿面放电或闪络等故障。
在其中一个实施例中，按重量份数计，所述环氧树脂、所述固化剂、所述微米碳化硅填料和所述纳米碳化硅填料的重量比为100份：25～35份：10～40份：10～40份。
在其中一个实施例中，所述环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂，所述固化剂为聚酰胺树脂固化剂或酸酐类固化剂。
在其中一个实施例中，所述微米碳化硅填料和所述纳米碳化硅填料均为β型碳化硅。
上述绝缘子材料的制备方法，包括以下步骤：
将所述绝缘子材料的各原料混合，得到基料；
将所述基料加热固化，冷却，得到绝缘子材料。
在其中一个实施例中，所述将所述绝缘子材料的各原料混合，得到基料的步骤包括以下步骤：
于搅拌条件下，在所述环氧树脂中依次加入所述微米碳化硅填料、所述纳米碳化硅填料和所述固化剂，混合均匀，得到所述基料。
在其中一个实施例中，在将所述基料加热固化的步骤之前还包括对所述基料进行脱气处理的步骤，所述脱气处理的条件为在真空条件下先于25～35℃脱气1～2h，再于50～60℃脱气0.5～1h。
在其中一个实施例中，所述加热固化的条件为先于70～80℃固化4～5h，再于130～140℃固化4～5h。
上述绝缘子材料制成的绝缘子。
上述绝缘子的制备方法，包括以下步骤：将所述绝缘子材料的各原料混合后置于绝缘子模具中，加热固化，冷却，除去所述绝缘子模具，得到绝缘子。
附图说明
图1为实施例2及对比例1～2得到的绝缘子的伏安特性曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式的绝缘子材料，其原料主要由环氧树脂、固化剂、微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料组成；按重量份数计，环氧树脂、固化剂、微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料的重量比为100份：25～35份：5～55份：5～55份；其中，微米碳化硅填料的粒径为10～50μm，纳米碳化硅填料的粒径为50～100nm。本文的粒径均为平均粒径。
其中固化剂能粘结环氧树脂和微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料。环氧树脂具有优良的电性能和机械性能，是制造盆式绝缘子的较佳材料。
可以理解，上述绝缘子材料的原料还可包含行业内根据需要添加的其他助剂。
上述绝缘子材料，采用微米和纳米两种不同尺寸级别的碳化硅填料复配，通过固化剂的作用掺杂到环氧树脂中，充分发挥了两者与环氧树脂的协同作用，并控制配比，使得碳化硅粒子间的平均距离较小，同时丰富了环氧树脂和碳化硅填料之间的界面，从而改善了绝缘子材料中局部电场，使得绝缘子材料在宏观较低场强下表现出非线性电导特性，且在较大场强时容易形成隧道效应，因而载流子可直接穿越环氧树脂层，从而形成较大的导电电流。
非线性材料是一种电导率和(或)相对介电常数随外加电场变化而变化的材料。也就是说非线性材料的电导率随着外加场强的改变呈现出非线性变化，在场强达到一定值时，电导率表现出很强的场强依赖关系。非线性电导特性越强，越有利于改善GIS中的电场分布，从而能够在不均匀交直流电场下自行均化电场分布，减小局部电场畸变率，且不明显降低绝缘结构的整体性能。
该绝缘子材料，其电导率随着外加场强的改变呈现出非线性变化。且该绝缘子材料具有与碳化硅类似的非线性电导特性。该绝缘子材料应用于绝缘子，能够较好地改善绝缘子表面电场分布，使绝缘子表面电场分布均化，从而减小局部电场畸变率，降低绝缘子沿面放电或闪络等故障。
本发明得到的绝缘子材料，相比纯微米碳化硅填料复合环氧树脂材料及纯纳米碳化硅填料复合环氧树脂材料，非线性电导系数发生变化的场强值减小，非线性电导系数发生变化后的非线性电导系数的数值增大，说明本发明得到的绝缘子材料的非线性电导特性优于纯微米碳化硅填料复合环氧树脂材料及纯纳米碳化硅填料复合环氧树脂材料。
具体地，本发明得到的绝缘子材料，在电场为3KV/mm时体积电导率高达3.0×10- 14S/m，在10KV/mm电场中的体积电导率高达4.9×10-13S/m，交流击穿强度高达63KV/mm，直流击穿强度高达88KV/mm，拐点之后的非线性电导系数高达13.7，拉伸强度高达30MPa，断裂伸长率高达150％。
优选地，按重量份数计，环氧树脂、固化剂、微米碳化硅填料和所述纳米碳化硅填料的重量比为100份：25～35份：10～40份：10～40份。更优选地，按重量份数计，环氧树脂、固化剂、微米碳化硅填料和所述纳米碳化硅填料的重量比为100份：25～30份：10～40份：10～40份。
在其中一个实施例中，环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂。优选地，环氧树脂为缩水甘油醚类的双酚A环氧树脂。具体地，环氧树脂为氢化双酚A二缩水甘油醚。
在其中一个实施例中，固化剂为聚酰胺树脂固化剂或酸酐类固化剂。优选地，固化剂为低分子量聚酰胺树脂或酸酐类固化剂。优选地，固化剂为分子量为2000～4000的聚酰胺树脂。具体地，固化剂选自邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、聚癸二酸酐及低分子量聚酰胺树脂HY-651中的至少一种。
在其中一个实施例中，微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料均为β型碳化硅。具体在一实施例中，微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料均由恒鑫碳化硅微粉有限公司(HengxinSilicon Carbide Powder Co.Ltd)提供的β型碳化硅，其经过固相烧结过程、喷雾造粒过程和筛选过程制作而成。
优选地，微米碳化硅填料的粒径为10～30μm。
还提供了一实施方式的上述绝缘子材料的制备方法，包括以下步骤S1～S2。
步骤S1：将绝缘子材料的各原料混合，得到基料。
在其中一个实施例中，还包括对各原料的粉碎和干燥步骤。具体地，还包括对微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料进行粉碎和干燥的步骤，以避免填料颗粒中残余水分对最终基料性能的影响。优选地，干燥的条件为于80～100℃干燥12～24h。更优选地，干燥的条件为于100℃干燥12h。
在其中一个实施例中，步骤S1包括以下步骤：于搅拌条件下，在环氧树脂中依次加入微米碳化硅填料、纳米碳化硅填料和固化剂，混合均匀，得到基料。具体地，在环氧树脂中分别加入微米碳化硅填料、纳米碳化硅填料和固化剂后均进行搅拌0.5～1h。
优选地，在搅拌混合得到基料后，还包括对基料进行超声分散处理的步骤，以提高微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料的分散性。具体地，该超声分散处理的时间为1～1.5h。
在其中一个实施例中，还包括对基料进行脱气处理的步骤。脱气处理的条件为在真空条件下先于25～35℃脱气1～2h，再于50～60℃脱气0.5～1h。采用真空条件和加热进行脱气处理，先在25～35℃脱气1～2h以将基料中的气孔排除，然后再于50～60℃脱气0.5～1h进一步提高基料的流动性，得到的绝缘子材料性能更优。进一步地，真空条件的压力为1×102～1×10-1Pa。
优选地，基料的脱气处理步骤在超声分散处理步骤之后。
步骤S2：将基料加热固化，冷却，得到绝缘子材料。
在其中一个实施例中，加热固化的条件为先于70～80℃固化4～5h，再于130～140℃固化4～5h。
上述绝缘子材料的制备方法，采用微米和纳米两种不同尺寸级别的碳化硅填料复配，通过固化剂的作用掺杂到环氧树脂中，充分发挥了两者与环氧树脂的协同作用，并控制配比，得到的绝缘子材料具有与碳化硅类似的非线性电导特性。且其应用于绝缘子，能够较好地改善绝缘子表面电场分布，使绝缘子表面电场分布均化，从而减小了局部电场畸变率，降低了绝缘子沿面放电或闪络等故障。
上述绝缘子材料制成的绝缘子。
上述绝缘子的制备方法，包括以下步骤：将所述绝缘子材料的各原料混合后置于绝缘子模具中，加热固化，冷却，除去所述绝缘子模具，得到绝缘子。
上述绝缘子材料应用于制备绝缘子，改善了绝缘子表面电场分布，使得绝缘子表面电场分布均化，从而减小了局部电场畸变率，降低了绝缘子沿面放电或闪络等故障，解决GIS盆式绝缘子故障率高的问题。
因此上述绝缘子材料对于非线性绝缘子的研究和制造，以及对于提高GIS的运行稳定性和电力系统的安全性有着重要的理论价值和工程意义。
在其中一个实施例中，绝缘子模具为盆式绝缘子模具，得到的绝缘子为盆式绝缘子。
以下为具体实施例。
实施例1
一种绝缘子材料，其原料主要由100份环氧树脂、30份固化剂、10份微米碳化硅填料、10份纳米碳化硅填料组成。其中环氧树脂为缩水甘油醚类的双酚A环氧树脂；固化剂为聚酰胺树脂HY-651；微米碳化硅填料的粒径为30μm，纳米碳化硅的粒径为50nm。其中，微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料均由恒鑫碳化硅微粉有限公司(Hengxin Silicon CarbidePowder Co.Ltd)提供的β型碳化硅。
该绝缘材料制成绝缘子，包括以下步骤：
将微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料均研磨粉碎，然后均于100℃干燥12h。
于搅拌条件下，在环氧树脂中加入微米碳化硅填料，继续搅拌0.5h；再加入纳米碳化硅填料，继续搅拌0.5h；再加入固化剂，继续搅拌0.5h，得到基料。然后将基料于超声波条件进行1.5h超声分散以混合均匀。
再将基料置于抽气泵和带有加热功能的真空箱中在真空条件先于30℃脱气1h，再于50℃脱气0.5h。
将脱气处理后的基料置于涂有脱模剂的盆式绝缘子模具中，将模具及基料加热至70℃下固化4小时，然后再加热至130℃固化4小时完全固化，冷却、脱模即得到盆式绝缘子。
实施例2
实施例2与实施例1的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，微米碳化硅填料及纳米碳化硅填料的份数均为30份，其中固化剂为邻苯二甲酸酐，微米碳化硅填料的粒径为50μm，纳米碳化硅的粒径为80nm。基料脱气处理的条件为先于25℃脱气2h，再于55℃脱气1h；固化的条件为先于60℃固化5h，再于140℃固化4.5h。
实施例3
实施例3与实施例1的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，固化剂的份数为25份，微米碳化硅填料的份数为40份，纳米碳化硅填料的份数为10份，其中固化剂为聚癸二酸酐，微米碳化硅填料的粒径为10μm，纳米碳化硅填料的粒径为100nm。基料脱气处理的条件为先于35℃脱气1.5h，再于60℃脱气0.8h；固化的条件为先于80℃固化4.5h，再于135℃固化5h。
实施例4
实施例4与实施例1的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，固化剂的份数为25份，微米碳化硅填料的份数为10份，纳米碳化硅填料的份数为40份。
实施例5
实施例5与实施例1的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，固化剂的份数为35份，微米碳化硅填料的份数为55份，纳米碳化硅填料的份数为5份。
实施例6
实施例6与实施例1的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，微米碳化硅填料的份数为5份，纳米碳化硅填料的份数为55份。
对比例1
对比例1与实施例1的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，其原料组成不含有碳化硅填料，即微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料均不含，相应的省去了加入微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料的步骤。
对比例2
对比例2与实施例3的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，其原料组成不含有纳米碳化硅填料，相应的省去加入纳米碳化硅填料的步骤即可。
对比例3
对比例3与实施例4的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，其原料组成不含有微米碳化硅填料，相应的省去加入微米碳化硅填料的步骤即可。
对比例4
对比例4与实施例1的绝缘子材料及其制备方法基本相似，不同之处在于，微米碳化硅填料的粒径为80μm，纳米碳化硅填料的粒径为10nm。
将实施例2及对比例1～2得到的绝缘子进行伏安特性曲线测试，得到的伏安特性曲线如图1所示，其横坐标为电场强度，单位为KV/mm，纵坐标为体电导率，单位为S/m。
从图1中可知，对比例1得到的绝缘子没有表现出非线性电导特性，而实施例2及对比例2均表现出非线性电导特性。实施例2与对比例2相比，非线性电导系数发生变化的场强值减小，即拐点出现的场强值减小；非线性电导系数发生变化后，即拐点之后的非线性电导系数的数值增大。且实施例2与对比例3相比，非线性电导系数发生变化的场强值减小。由此可见，本发明得到的绝缘子材料的非线性电导特性优于纯微米碳化硅填料复合环氧树脂材料及纯纳米碳化硅填料复合环氧树脂材料。
具体地，实施例2的绝缘子，性能如下：在电场为3KV/mm时体积电导率为1.8×10- 14S/m，在10KV/mm电场中的体积电导率为4×10-13S/m，交流击穿强度为60KV/mm，直流击穿强度为86KV/mm，拐点之后的非线性电导系数为13.5，拉伸强度高达30MPa，断裂伸长率高达150％。对比例2的绝缘子，性能如下：在电场为3KV/mm时体积电导率为2×10-15S/m，在10KV/mm电场中的体积电导率为1.2×10-14S/m，交流击穿强度为55KV/mm，直流击穿强度为80KV/mm，拐点之后的非线性电导系数为13.1。
其他实施例及对比例的绝缘子的性能，如下表1。
表1
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种绝缘子材料，其特征在于，其原料主要由环氧树脂、固化剂、微米碳化硅填料和纳米碳化硅填料组成；按重量份数计，所述环氧树脂、所述固化剂、所述微米碳化硅填料和所述纳米碳化硅填料的重量比为100份：25～35份：10～40份：10～40份；其中，所述微米碳化硅填料的粒径为10～50μm，所述纳米碳化硅填料的粒径为50～100nm；所述微米碳化硅填料和所述纳米碳化硅填料均为β型碳化硅。
2.如权利要求1所述的绝缘子材料，其特征在于，按重量份数计，所述环氧树脂、所述固化剂、所述微米碳化硅填料和所述纳米碳化硅填料的重量比为100份：25～30份：10～40份：10～40份。
3.如权利要求1所述的绝缘子材料，其特征在于，所述环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂，所述固化剂为聚酰胺树脂固化剂或酸酐类固化剂。
4.如权利要求1～3任一项所述的绝缘子材料，其特征在于，所述微米碳化硅填料的粒径为10～30μm。
5.如权利要求1～4任一项所述的绝缘子材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述绝缘子材料的各原料混合，得到基料；
将所述基料加热固化，冷却，得到绝缘子材料。
6.如权利要求5所述的绝缘子材料的制备方法，其特征在于，所述将所述绝缘子材料的各原料混合，得到基料的步骤包括以下步骤：
于搅拌条件下，在所述环氧树脂中依次加入所述微米碳化硅填料、所述纳米碳化硅填料和所述固化剂，混合均匀，得到所述基料。
7.如权利要求5所述的绝缘子材料的制备方法，其特征在于，在将所述基料加热固化的步骤之前还包括对所述基料进行脱气处理的步骤，所述脱气处理的条件为在真空条件下先于25～35℃脱气1～2h，再于50～60℃脱气0.5～1h。
8.如权利要求5～7任一项所述的绝缘子材料的制备方法，其特征在于，所述加热固化的条件为先于70～80℃固化4～5h，再于130～140℃固化4～5h。
9.如权利要求1～4任一项所述的绝缘子材料制成的绝缘子。
10.如权利要求9所述的绝缘子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述绝缘子材料的各原料混合后置于绝缘子模具中，加热固化，冷却，除去所述绝缘子模具，得到绝缘子。
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