CN112962130A - 铝绕组表面的耐高温绝缘层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝绕组表面的耐高温绝缘层材料及其制备方法，采用电化学氧化法，铝绕组作为电化学阳极，阴极采用不锈钢、石墨、铅或铂材料制成的网状或棒状电极，以酸溶液作电解质对阳极进行电化学氧化，在铝绕组表面氧化形成氧化铝绝缘层薄膜。该绝缘层材料是在铝基体表面通过阳极氧化法直接氧化形成，与铝绕组基底结合紧密，不易脱落；氧化铝绝缘层结构稳定，耐磨性好，且具有良好的高温介电特性，使利用铝绕组的变压器可工作于高于200℃的环境温度。本发明耐高温绝缘层的制备过程不受铝绕组的复杂形状影响，制备时间周期短，产生的废水对环境的影响可控，适合工业大规模批量处理。

Description

铝绕组表面的耐高温绝缘层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于变压器铝绕组技术领域，尤其涉及铝绕组表面的耐高温绝缘层材料及其制备方法。
背景技术
电力变压器是一种用于变换电流、电压的高效控制设备，电力变压器在航海、陆地轨道交通(轨道交通及电动汽车)、航空航天器等领域以及各种能源和电力转化过程中(如风力电站以及大功率太阳能光伏电站)均具有广泛的应用。铝制绕组由于质量密度较高，在电力变压器中被广泛使用，但各种应用环境下铝制绕组匝间的绝缘性以及铝制绕组与设备环境中其它金属设备间的电气绝缘情况是需要考虑的重要因素。
目前变压器中铝绕组的表面绝缘主要依赖于涂敷的有机高分子绝缘层，有机绝缘层(绝缘漆)通常由聚酰亚胺等高分子树脂组成。但是，由于高分子材料普遍在200℃以上会变软，绝缘性能明显下降，因而现有的采用高分子绝缘层的铝绕组峰值工作温度一般在250℃以下。但随着变压器应用领域的拓展，越来越多的应用环境对变压器的要求越来越苛刻。能耐300℃甚至400℃高温环境的绝缘层，将极大的拓展变压器在高速轨道交通以及风力电站中的应用范围。即使变压器不是应用于连续的高温场合，提高其绝缘层对环境峰值温度的适用度也是具有重要的意义。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种铝绕组表面的耐高温绝缘层材料及其制备方法，旨在解决上述背景技术中现有铝绕组绝缘层峰值工作温度低，高温条件下绝缘性能显著下降的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种铝绕组表面的耐高温绝缘层材料，铝绕组的导体采用铝锭材料，所述导体表面原位生长一层氧化铝绝缘层薄膜；所述氧化铝绝缘层薄膜包括紧密附着于导体表面的致密阻挡层和形成于致密阻挡层上的多孔层，所述多孔层具有一维的准直型孔道，且准直型孔道垂直于致密阻挡层。
本发明进一步提供了一种铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)对铝绕组表面进行清洗；
(2)采用电化学氧化法，铝绕组作为电化学阳极，阴极采用不锈钢、石墨、铅或铂材料制成的网状或棒状电极，以酸溶液作电解质，在5～20℃的恒温条件下通过直流驱动进行电化学阳极氧化反应，在阳极铝绕组表面氧化形成一层氧化铝绝缘层薄膜。
优选地，所述电解质采用多种不同比例的硫酸、磷酸和草酸的混合液。
优选地，所述电化学阳极氧化反应的电流密度为1mA/cm2～10mA/cm2，阳极氧化时间为0.5h～2h。
优选地，当铝绕组表面氧化铝绝缘层未达到绝缘要求时，将阳极氧化反应后的铝绕组在酸液中浸泡一定时间去除表面氧化物后，再重复步骤(1)和(2)的阳极氧化过程，然后测定绝缘层的绝缘性能，若仍未达到绝缘要求，继续用酸液浸泡后重复步骤(1)和(2)的阳极氧化过程，直至达到绝缘要求为止。
优选地，所述酸液采用磷酸和铬酸的混合液，铝绕组浸泡时间为1h-18h。
优选地，当铝绕组表面氧化铝绝缘层未达到绝缘要求时，将阳极氧化反应后的铝绕组于有机硅的醇溶液中浸泡处理。
优选地，所述氧化铝绝缘层薄膜的均一性通过染色方法鉴定。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明铝绕组绝缘层材料是在铝基体表面直接氧化形成的，与铝绕组基底紧密结合，不易脱落；形成的绝缘层具有无定型的微观原子结构，在铝导体达到熔点前绝缘层结构不发生明显变化，在400℃以上的击穿电压在最高可达600V，具有良好的高温介电特性，可以显著提高变压器耐受的工作环境温度；且氧化铝具有较高的导热性，绝缘层中温度均匀分布，不会导致绝缘层局部明显的结构变化。此外，由于氧化铝具有很高的硬度，故氧化形成的氧化铝绝缘层具有良好的耐磨性，可以有效减少操作过程以及恶劣环境条件下(如沙漠环境中的扬沙流)中对绝缘层的破损。
(2)本发明铝绕组绝缘层材料通过阳极氧化法制得，可适用于各种不同尺寸和复杂形状的铝绕组，制备方法易于实施，适合大规模工业量产。
附图说明
图1是本发明实施例提供的铝绕组进行电化学阳极氧化的示意图。
图2是本发明实施例提供的铝绕组氧化铝绝缘层的结构示意图。
图中：1-铝基底；2-绝缘层薄膜；201-致密阻挡层；202-多孔层。
图3是本发明实施例提供的氧化铝绝缘层的结构扫描电镜(SEM)图。左图是表面形貌，右图是截面示意(Al金属基底已经被利用化学手段选择性地腐蚀去除)。
图4是本发明实施例提供的氧化铝绝缘层的结构x射线表征图。
图5是本发明实施例提供的铝绕组氧化铝绝缘层的绝缘性能数据图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，采用的变压器铝绕组为利用电工级别纯度的铝锭材料通过机械加工而成，选择1.5cm×3.5cm截面、长度1200cm的铝绕组。首先对铝绕组表面进行清洗(除油渍)；然后将铝绕组作为电化学阳极，阴极采用不锈钢、石墨、铅或铂材料制成的网状或棒状电极，以酸溶液作电解质进行电化学阳极氧化，如图1所示，本实施例电解质采用2％～5％的草酸溶液，电化学阳极氧化在5～20℃的恒温条件下进行，阳极氧化过程为直流驱动，阳极氧化电流密度为1mA/cm2～10mA/cm2，阳极氧化时间在0.5h～2h之间。制得的氧化铝绝缘层的厚度为5μm-200μm，氧化铝绝缘层的厚度的可根据所需的绝缘性能和热稳定性通过调节反应时间等进行调节。
制备的绝缘层结构如图2所示，铝基底1表面氧化形成一层氧化铝绝缘层薄膜2，该绝缘层薄膜2包括紧密附着于导体表面的致密阻挡层201和形成于致密阻挡层上的多孔层202，其中多孔层202具有直型孔道，且直型孔道垂直于致密阻挡层201，多孔层202厚度在10um～100um之间，孔径可通过改变反应条件进行调节，致密阻挡层201厚度在10nm～200nm之间(图3)。该绝缘层薄膜具有无定型的晶体结构(图4)，在金属铝达到熔点前绝缘层结构不发生明显变化。对该铝绕组表面的绝缘层进行介电性能测试，结果表明其在室温下的击穿阈值电压在800V以上，在1200V偏压下通过的电流依然很小(图5A)；400℃加热条件下击穿阈值电压在600V以上，在800V偏压下通过的电流依然很小(图5B)。说明铝绕组表面的绝缘层具有良好的高温介电特性，有望显著提高变压器的工作环境温度。
当制备的铝绕组表面氧化铝绝缘层在室温下耐压未达400V时，可通过如下处理方法使其达到绝缘要求：
(1)将阳极氧化反应后的铝绕组在酸液中浸泡一定时间去除表面氧化物后，再重复上述的阳极氧化过程，然后测定氧化物绝缘层的绝缘性能，若仍未达到绝缘要求，继续用酸液浸泡后重复阳极氧化过程，直至达到绝缘要求为止。其中，酸液采用磷酸和铬酸(1～2％)的混合液，铝绕组浸泡时间为1h-18h。
(2)当铝绕组表面氧化铝绝缘层未达到绝缘要求时，将阳极氧化反应后的铝绕组于有机硅的醇溶液中浸泡处理，通过该处理方法能够实现对表面氧化物绝缘层的分子修饰，增强表面疏水效果以及绝缘效果。
具有耐高温绝缘层铝绕组使用时，可根据需要(如促进零件在太空环境中的辐射散热)对绝缘处理后的铝绕组零件进行染色(粉色、蓝色和黑色等)，零件表面颜色的均一性可以显示绝缘层薄膜的均一性，以及实现不同绕组零件间的视觉区分。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝绕组表面的耐高温绝缘层材料，其特征在于，铝绕组的导体采用铝锭材料，所述金属铝导体表面原位生长一层氧化铝绝缘层薄膜；所述氧化铝绝缘层薄膜包括紧密附着于导体表面的致密阻挡层和形成于致密阻挡层上的多孔层，所述多孔层具有一维的准直型孔道，且准直型孔道垂直于致密阻挡层。
2.一种如权利要求1所述的铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对铝绕组表面进行清洗；
(2)采用电化学氧化法，铝绕组作为电化学阳极，阴极采用不锈钢、石墨、铅或铂材料制成的网状或棒状电极，以酸溶液作电解质，在5～20℃的恒温条件下通过直流驱动进行电化学阳极氧化反应，在阳极铝绕组表面氧化形成一层氧化铝绝缘层薄膜。
3.如权利要求2所述的铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，其特征在于，所述电解质采用多种不同比例的硫酸、磷酸和草酸的混合液。
4.如权利要求2所述的铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，其特征在于，所述电化学阳极氧化反应的电流密度为1mA/cm2～10mA/cm2，阳极氧化时间为0.5h～2h。
5.如权利要求2所述的铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，其特征在于，当铝绕组表面氧化铝绝缘层未达到绝缘要求时，将阳极氧化反应后的铝绕组在酸液中浸泡一定时间去除表面氧化物后，重复步骤(1)和(2)的阳极氧化过程；然后测定绝缘层的绝缘性能，若仍未达到绝缘要求，继续用酸液浸泡后重复步骤(1)和(2)的阳极氧化过程，直至达到绝缘要求为止。
6.如权利要求5所述的铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，其特征在于，所述酸液采用磷酸和铬酸的混合液，铝绕组浸泡时间为1h-18h。
7.如权利要求2所述的铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，其特征在于，当铝绕组表面氧化铝绝缘层未达到绝缘要求时，将阳极氧化反应后的铝绕组于有机硅的醇溶液中浸泡处理。
8.如权利要求2所述的铝绕组表面的耐高温绝缘层材料的制备方法，其特征在于，所述氧化铝绝缘层薄膜的均一性通过染色方法鉴定。
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