CN109943015A - 超特高压均压环用半导体材料及均压环生产工艺 - Google Patents

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白慧琳
高海涛
郝逢媛
冯焕丽
马占山
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Abstract

本发明针对现有均压环材料容易造成均压环在超特高压下电越、失效的问题，提供一种超特高压均压环用半导体材料及均压环生产工艺，均压环本体采用如下组分的半导体材料生产而成：以重量百分比计，石墨10‑25%，石墨烯0.01‑0.5%，摩擦材料用酚醛树脂25‑45%，余量为改性SiO2。由于本发明所述半导体材料的使用，所生产的均压环在超特高压下内部存在电场，从根本上避免了电越问题，而且该均压环在电压发生突变时不易造成器件击穿，显著提高设备整体可靠性能。

Description

超特高压均压环用半导体材料及均压环生产工艺
技术领域
本发明属于均压环技术领域，具体涉及超特高压均压环用半导体材料及均压环生产工艺。
背景技术
均压环是高压设备上的重要器件之一，用来改善绝缘子上电压分布的圆环状部件，主要作用是均压，适用于电压形式为交流，可将高压均匀分布在物体周围，保证在环形各部位之间没有电位差，从而达到均压的效果。
目前均压环的传统材料为铝合金和不锈钢，在超特高压下，由于金属材料内部无电场，均压环存在电越，容易在超特高压环境下电压突变时造成器件失效。
发明内容
本发明针对现有均压环材料容易造成均压环在超特高压下电越、失效的问题，提供一种超特高压均压环用半导体材料及均压环生产工艺，由于本发明所述半导体材料的使用，所生产的均压环在超特高压下内部存在电场，从根本上避免了电越问题，而且该均压环在电压发生突变时不易造成器件击穿，显著提高设备整体可靠性能。
本发明采用如下技术方案：
一种超特高压均压环用半导体材料，本发明所述超特高压主要是550-1100kV的电压，均压环本体采用如下组分的半导体材料生产而成：以重量百分比计，石墨 10-25%，石墨烯0.01-0.5%，摩擦材料用酚醛树脂 25-45%，余量为改性SiO2。
优选地，所述石墨具体为土状石墨或天然片状石墨，天然片状石墨也常用于电刷用石墨。
优选地，所述石墨烯为工业多层石墨烯。
优选地，所述工业多层石墨烯的厚度为3.4-8.0nm，层数5-10层，片层直径5-50μm。
优选地，所述改性SiO2为硅烷偶联剂表面改性SiO2，硅烷偶联剂可选用KH560。
利用上述的超特高压均压环用半导体材料生产均压环的工艺，包括以下步骤：
（1）按所述重量百分比备料石墨、石墨烯、摩擦材料用酚醛树脂、和改性SiO2；
（2）将步骤（1）的原料混合磨碎至粒度细于200目且含200目，所述混合磨碎采用干法混合磨碎，混合磨碎后所得粉料在40-60℃下干燥6~10h；
（3）将步骤（2）所得粉料装入均压环的模压成型模具中，进行热压成型，成型温度为170-240℃，成型压力为15～35MPa，在达到所述成型温度后，保持所述成型压力50～80min，即可成型得到均压环。
进一步地，所述混合磨碎采用球磨、冲击磨、振动磨或回转滚筒磨。
进一步地，在步骤（3）所得均压环表面采用磁控共溅射工艺制备Al-Ag复合涂层，所述Al-Ag复合涂层中以重量百分比计，Ag含量为15-30 wt%，Al含量为70-85 wt%。
进一步地，所述Al-Ag复合涂层的具体制备工艺如下：将所得均压环进行清洁处理后干燥，然后采用采用直流溅射模式，以纯度高于99.99 % 的Al靶和纯度高于99.99 % 的Ag靶为溅射源，以氩气为溅射气体，溅射气压为0.5-1 Pa，溅射至Al-Ag复合涂层的厚度为500-1000 nm。
本发明的有益效果如下：
经检测，本发明所述半导体材料制备得到的均压环具有以下特点：
①电导率在0.5-5s/m，试验显示，在超特高压环境下没有电越，不易被高压击穿失效。
这也是本发明的改进目的，本发明所提供的半导体材料中各组分的选择及其用量配比使得均压环保持良好的电导率，均压环材料内部存在电场，从根本上解决了电越问题，均压环不易被高压击穿失效，所制造的均压环在超特高压服役条件下的性能和可靠性均优于传统材料。
此外，本发明所提供的半导体材料不仅能够解决电越等问题，还表现出不错的强度、热膨胀等力学性能，能够满足均压环的产业使用要求：
②三点抗弯强度在120-240 MPa，材料具有较高抗弯强度。
③材料线膨胀系数（20-80℃）为0.20-0.3×10-4/℃，与盆式绝缘子复合材料（高分子＋Al2O3）热膨胀系数接近。
④材料收缩率为0.4-0.6％，材料收缩率小，能够方便成型更加精密的零件和尺寸更大的零件。
⑤材料密度为1.8～2.2 g/cm3。
⑥材料抗拉强度在170-250 MPa，材料具有较高抗拉强度。
综上可以看出，本发明的半导体材料生产得到的均压环的综合性能明显优于传统均压环材料，完全符合均压环的使用要求。
具体实施方式
为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明。
以下实施例中所用工业多层石墨烯购自苏州碳丰科技公司；
以下实施例中所用摩擦材料用酚醛树脂购自山东莱芜润达化工有限公司，具体为摩擦材料用酚醛树脂RD－902；
实施例1
利用半导体材料制备超特高压均压环的制备工艺：
配料：土状石墨16.75 kg，工业多层石墨烯0.25 kg，摩擦材料用酚醛树脂50 kg，硅烷偶联剂处理的SiO2 33 kg。
制备工艺如下：采用球磨混合磨碎，然后采用200目筛网过筛取筛下物，装入生产均压环的模具热压成型，成型压力：30 MPa，成型温度：230℃，在230℃的温度下保压时间为50分钟。
以上所得均压环的性能如下：电导率：1.08s/m；抗弯强度：128.31MPa；抗拉强度195 MPa；线膨胀系数：0.22×10-4/℃；材料收缩率：0.45％；材料密度：1.84g/cm3。
实施例2
利用半导体材料制备超特高压均压环的制备工艺：
配料成分：电刷用石墨 11.6 kg，工业多层石墨烯0.4 kg，摩擦材料用酚醛树脂 53kg，硅烷偶联剂处理的SiO2 35 kg。
制备工艺如下：采用球磨混合磨碎，然后采用230目筛网过筛取筛下物，装入生产均压环的模具热压成型，成型压力：20 MPa，成型温度：190℃，在190℃的温度下保压时间为65分钟。
以上所得均压环的性能如下：电导率：0.8 s/m；抗弯强度：145.65 MPa；抗拉强度215 MPa；线膨胀系数：0.23×10-4/℃；材料收缩率：0.42％；材料密度：1.88g/cm3。
实施例3
实施例1或2制备得到的均压环表面还可进一步采用磁控共溅射工艺制备Al-Ag复合涂层，所述Al-Ag复合涂层的具体制备工艺如下：将所得均压环进行清洁处理后干燥（具体清洁干燥操作如下：依次在丙酮中超声20分钟，无水乙醇中超声20分钟，去离子水中超声10分钟，然后60℃烘干备用），然后采用采用直流溅射模式，溅射时装载零件的基盘旋转，溅射过程未对基底加热，以纯度高于99.99 % 的Al靶和纯度高于99.99 % 的Ag靶为溅射源，以氩气为溅射气体，溅射气压为0.5-1 Pa，调节Ag靶和Al靶溅射功率获得合适的Ag-Al含量，优选以重量百分比计，Ag含量为15-30 wt%，Al含量为70-85 wt%，溅射至Al-Ag复合涂层的厚度为500-1000 nm即可。
最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种超特高压均压环用半导体材料，其特征在于：均压环本体采用如下组分的半导体材料生产而成：以重量百分比计，石墨 10-25%，石墨烯 0.01-0.5%，摩擦材料用酚醛树脂25-45%，余量为改性SiO2。
2.根据权利要求1所述的超特高压均压环用半导体材料，其特征在于：所述石墨具体为土状石墨或片状石墨。
3.根据权利要求1或2所述的超特高压均压环用半导体材料，其特征在于：所述石墨烯为工业多层石墨烯。
4.根据权利要求3所述的超特高压均压环用半导体材料，其特征在于：所述工业多层石墨烯的厚度为3.4-8.0nm，层数5-10层，片层直径5-50μm。
5.根据权利要求1或4所述的超特高压均压环用半导体材料，其特征在于：所述改性SiO2为硅烷偶联剂表面改性SiO2。
6.利用权利要求1至5任一项所述的超特高压均压环用半导体材料生产均压环的工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）按所述重量百分比备料石墨、石墨烯、摩擦材料用酚醛树脂、和改性SiO2；
（2）将步骤（1）的原料混合磨碎至粒度细于200目且含200目，所述混合磨碎采用干法混合磨碎，混合磨碎后所得粉料在40-60℃下干燥6~10h；
（3）将步骤（2）所得粉料装入均压环的模压成型模具中，进行热压成型，成型温度为170-240℃，成型压力为15～35MPa，在达到所述成型温度后，保持所述成型压力50～80min，即可成型得到均压环。
7.根据权利要求6所述的生产均压环的工艺，其特征在于：所述混合磨碎采用球磨、冲击磨、振动磨或回转滚筒磨。
8.根据权利要求6所述的生产均压环的工艺，其特征在于：在步骤（3）所得均压环表面采用磁控共溅射工艺制备Al-Ag复合涂层，所述Al-Ag复合涂层中以重量百分比计，Ag含量为15-30 wt%，Al含量为70-85 wt%。
9.根据权利要求8所述的生产均压环的工艺，其特征在于，所述Al-Ag复合涂层的具体制备工艺如下：将所得均压环进行清洁处理后干燥，然后采用采用直流溅射模式，以纯度高于99.99 % 的Al靶和纯度高于99.99 % 的Ag靶为溅射源，以氩气为溅射气体，溅射气压为0.5-1 Pa，溅射至Al-Ag复合涂层的厚度为500-1000 nm。
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