CN115946414A - 一种用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材及其制备方法，复合片材包括以下重量百分比的原料制备而成：第一热熔膜层10‑40％、云母纸层20‑80％和第二热熔膜层10‑40％。本申请使用热熔膜对云母纸层进行补强，使得最终获得的耐电晕复合片材致密性高，具有优异的耐电晕性能、电气强度、耐热性能、机械性能、高的局部放电起始电压和好的应用工艺性能。
Description
技术领域
本申请涉及一种用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材及其制备方法，属于新能源电机用耐电晕复合材料技术领域。
背景技术
现有新能源汽车电机用耐高温H级以上槽绝缘和相间绝缘纸多为芳纶纤维纯纸，或芳纶纤维纸与聚酰亚胺薄膜并使用耐高温胶粘剂复合而成，典型的复合纸结构为Nomex纤维纸/PI薄膜/Nomex纤维纸(NHN)，复合胶粘剂多采用环氧、聚氨酯、或聚丙烯酸酯类胶粘剂。芳纶纤维纯纸或NHN复合纸具有较高的耐热性，用于新能源汽车400V电压平台电机绝缘结构的性能是非常优异的，然而对于800V电压平台电机，因为电压等级较高，加之脉宽调制尖峰电压，以及环境因素的影响，其最高安全电压可能会达到2300V甚至更高，这已经远远超过了现有常规低压电机用绝缘材料的局部放电起始电压(PDIV)，在电机运行过程中产生局部放电的概率是非常高的，因此对于800V电压平台汽车电机就必须要考虑绝缘材料的耐电晕性能。
现有技术是通过在有机芳纶纤维纸中添加云母成分，或者使用环氧、聚氨酯或聚丙烯酸酯类胶粘剂复合芳纶纤维纸和云母纸等方式，来提升复合纸的耐电晕寿命。然而通过这两种方式制备的含云母复合纸都存在易掉粉、易分层、易碎裂等问题，耐电晕性能和耐高温性一般，局部放电起始电压(PDIV)较低，无法满足新能源汽车电机大批量应用的工艺要求。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材及其制备方法，使用热熔膜对云母纸层进行补强，使得最终获得的耐电晕复合片材致密性高，具有优异的耐电晕性能、电气强度、耐热性能、机械性能、高的局部放电起始电压和好的应用工艺性能。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，包括以下重量百分比的原料制备而成：第一热熔膜层10-40％、云母纸层20-80％和第二热熔膜层10-40％。
可选地，所述第一热熔膜层、所述云母纸层和所述第二热熔膜层之间不使用胶黏剂。
可选地，所述第一热熔膜层的厚度为0.02-0.15mm，所述云母纸层的厚度为0.05-0.20mm，所述第二热熔膜层的厚度为0.02-0.15mm。
优选地，所述第一热熔膜层、所述云母纸层和所述第二热熔膜层的厚度比例为1:2:1。
可选地，所述第一热熔膜层选自聚苯硫醚、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚醚醚酮和聚醚酰亚胺中的一种或多种。
可选地，所述第二热熔膜层选自聚苯硫醚、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚醚醚酮和聚醚酰亚胺中的一种或多种。
第一热熔膜层和第二热熔膜层的材料可以不完全相同，选用的均为耐高温180℃以上、且耐油的热塑性塑料，使复合片材具有耐油性，从而能适应设备内有油等复杂环境，适应性强。
优选地，第一热熔膜层和第二热熔膜层为耐高温180℃以上、且耐油的热塑性塑料，介电常数小于4。通过选择介电常数较小的塑料能提高局部放电起始电压(PDIV)。
可选地，所述第一热熔膜层和/或所述第二热熔膜层还包括无机纳米颗粒。
可选地，所述无机纳米颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、氮化硼、氮化铝和二氧化钛中的一种或几种，所述无机纳米颗粒的粒径为10nm-800nm。
通过添加无机纳米颗粒并限定粒径，提高材料的耐电晕性能，无机纳米颗粒的分散均匀性好。
优选地，无机纳米颗粒的添加量为第一热熔膜层或第二热熔膜层重量的2.5％-15％。
可选地，所述云母纸层包括云母鳞片和补强材料，所述云母鳞片粒径为30目-800目。
可选地，所述补强材料包括芳纶纤维、玻璃纤维中的一种或两种。加入玻璃纤维或芳纶纤维以提高材料的机械性能和应用工艺性。
优选地，玻璃纤维为短切玻璃纤维，芳纶纤维为沉析间位芳纶纤维，玻璃纤维和/或芳纶纤维的添加量为云母纸层重量的5-30％。
根据本申请的另一方面，还提供了一种如任一上述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层放卷并依次叠放在一起，层与层之间不需要涂覆胶黏剂；
(2)将叠放好的多层材料经热辊热压，热压温度为290-390℃，压力为5-20MPa；
(3)热压完成后即得所述用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材。
本申请的有益效果包括但不限于：
1.根据本申请的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，使用热熔膜对云母纸层进行补强，使得最终获得的耐电晕复合片材致密性高，具有优异的耐电晕性能、电气强度、耐热性能、机械性能、高的局部放电起始电压和好的应用工艺性能。
2.根据本申请的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，通过使用耐高温、耐油和介电常数小的热熔膜层，再使用无机纳米颗粒进行增强改性，与云母纸层热压，云母纸层中云母鳞片相比于其他状态的云母具有更好的耐电晕性能，云母鳞片结构和纳米颗粒的双重耐电晕特性，可显著提高复合材料的耐电晕寿命，从而使复合片材具备优异的耐电晕性能和较高的PDIV。
3.根据本申请的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，通过使用玻璃纤维和芳纶纤维与云母鳞片组成云母纸层，沉析芳纶纤维是轻薄膜状，芳纶纤维会与棒状短切纤维粘附在一起，有助于形成纤维支架，在受到外力时，可起到传递应力的作用，纤维与其他材料交织成的网络结构使复合片材致密度高，耐电晕性能优异，使用寿命长。
4.根据本申请的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，使用耐高温塑料作为热熔膜层融合云母鳞片，不使用任何其它胶粘剂，可以减少胶粘剂对复合片材机械性能、电气性能、耐热性能和耐油性能的影响；同时热压时塑料可以更均匀充分地渗入到云母纸层，从而形成微观结构上更加致密、电气性能和机械性能更为优异的复合片材，所使用的热熔膜层为低介电常数，可以大幅提高云母纸复合片材的局部放电起始电压，满足新能源汽车800V高压电机的性能要求。
5.根据本申请的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材的制备方法，通过根据第一热熔膜层、第二热熔膜层和云母纸层的厚度和组成不同，设置匹配的热压温度和压力，使第一热熔膜层、第二热熔膜层和云母纸层三者能够达到完全融合状态，避免出现相邻层之间部分界面融合，影响复合片材的性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例涉及的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材的材料组成示意图；
图2为本申请实施例涉及的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材截面示意图。
附图标记：1.第一热熔膜层；2.云母纸层；21.云母鳞片；22.补强材料；3.第二热熔膜层。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本专利中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
本实施例中第一热熔膜层、第二热熔膜层和云母纸层均通过常规热压或抄造等其他工艺制备得到。
实施例1复合片材1#
复合片材1#包括以下重量百分比的原料制备而成：第一热熔膜层10％、云母纸层80％和第二热熔膜层10％；第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层在厚度方向上完全融合。
其中，第一热熔膜层的厚度为0.02mm，云母纸层的厚度为0.20mm，第二热熔膜层的厚度为0.02mm。第一热熔膜层和为第二热熔膜层均为四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物，介电常数为2.03。第一热熔膜层和第二热熔膜层还包括无机纳米颗粒，无机纳米颗粒为氮化硼，粒径为20nm，添加量为第一热熔膜层重量的5％。云母纸层包括云母鳞片，云母鳞片粒径为30目。云母纸层还包括沉析间位芳纶纤维，添加量为云母纸层重量的5％。
复合片材1#的制备方法包括以下步骤：
(1)将第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层放卷并依次叠放在一起，层与层之间不需要涂覆胶黏剂；
(2)将叠放好的多层材料经热辊热压，热压温度为380℃，压力为20MPa；
(3)热压完成后即得用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材1#。
实施例2复合片材2#
复合片材2#包括以下重量百分比的原料制备而成：第一热熔膜层30％、云母纸层40％和第二热熔膜层30％；第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层在厚度方向上完全融合。
其中，第一热熔膜层的厚度为0.08mm，云母纸层的厚度为0.10mm，第二热熔膜层的厚度为0.08mm。第一热熔膜层和为第二热熔膜层均为聚醚醚酮，介电常数为3.2。第一热熔膜层和第二热熔膜层还包括无机纳米颗粒，无机纳米颗粒为三氧化二铝，粒径为400nm，添加量为第一热熔膜层重量的10％。云母纸层包括云母鳞片，云母鳞片粒径为400目。云母纸层还包括短切玻璃纤维，添加量为云母纸层重量的15％。
复合片材2#的制备方法包括以下步骤：
(1)将第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层放卷并依次叠放在一起，层与层之间不需要涂覆胶黏剂；
(2)将叠放好的多层材料经热辊热压，热压温度为390℃，压力为15MPa；
(3)热压完成后即得用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材2#。
实施例3复合片材3#
复合片材3#包括以下重量百分比的原料制备而成：第一热熔膜层20％、云母纸层60％和第二热熔膜层20％；第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层在厚度方向上完全融合。
其中，第一热熔膜层的厚度为0.10mm，云母纸层的厚度为0.20mm，第二热熔膜层的厚度为0.10mm。第一热熔膜层和为第二热熔膜层均为聚苯硫醚，介电常数为3.1。第一热熔膜层和第二热熔膜层还包括无机纳米颗粒，无机纳米颗粒为二氧化钛，粒径为800nm，添加量为第一热熔膜层重量的10％。云母纸层包括云母鳞片，云母鳞片粒径为800目。云母纸层还包括沉析间位芳纶纤维，添加量为云母纸层重量的20％。
复合片材3#的制备方法包括以下步骤：
(1)将第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层放卷并依次叠放在一起，层与层之间不需要涂覆胶黏剂；
(2)将叠放好的多层材料经热辊热压，热压温度为300℃，压力为15MPa；
(3)热压完成后即得用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材3#。
实施例4复合片材4#
复合片材4#包括以下重量百分比的原料制备而成：第一热熔膜层20％、云母纸层60％和第二热熔膜层20％；第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层在厚度方向上完全融合。
其中，第一热熔膜层的厚度为0.10mm，云母纸层的厚度为0.20mm，第二热熔膜层的厚度为0.10mm。第一热熔膜层和为第二热熔膜层均为聚苯硫醚，介电常数为3.1。云母纸层包括云母鳞片，云母鳞片粒径为600目。
复合片材4#的制备方法包括以下步骤：
(1)将第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层放卷并依次叠放在一起，层与层之间不需要涂覆胶黏剂；
(2)将叠放好的多层材料经热辊热压，热压温度为295℃，压力为10MPa；
(3)热压完成后即得用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材4#。
对比例1对比复合片材1#
对比复合片材1#与复合片材3#的区别在于，对比复合片材1#没有第二热熔膜层，只有第一热熔膜层，第一热熔膜层20％，云母纸层80％，制备方法同实施例3。
对比例2对比复合片材2#
对比复合片材2#与复合片材3#的区别在于，第一热熔膜层5％、云母纸层90％和第二热熔膜层5％，制备方法同实施例3。
对比例3对比复合片材3#
对比复合片材3#与复合片材3#的区别在于：对比复合片材3#第一热熔膜层和第二热熔膜层采用的塑料为聚邻苯二甲酰胺，介电常数为4.3，其余相同。
对比例4对比复合片材4#
对比复合片材4#与复合片材3#的区别在于：制备方法的步骤(2)中热压温度为200℃，压力为5MPa。
实验例
1.电气性能
PDIV(局部放电起始电压)：试验按照国标GB/T 7354-2018进行，交流电压频率：50hz；升压速度：50V/s；以局部放电量10PC作为起始放电电压点；实验温度：21-25℃，湿度：45-55％。
2.耐温性能实验
实验方法：试验按照国标GB/T 4074.7-2009进行，采用三点法进行材料耐热等级评定。
3.拉伸强度
实验方法：按照国标GB/T 20629.2-2013和GB/T 5591.2-2017测定。
4.方波耐电晕寿命
实验方法：试验按照T/CEEIA 415-2019标准进行，测试条件：峰峰电压Vp-p＝3000V，温度155±3℃，频率＝20KHz，上升沿100±10ns，占空比50％。
将复合片材1#-4#和对比复合片材1#-4#分别取样进行以上四项实验测试，实验结果如表1所示。
表1各复合片材实验数据
图1为本申请实施例1-4制备的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材的材料组成示意图；图2为本申请实施例1-4制备的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材截面示意图。
由以上实验数据可知，通过本申请所限定的原料和方法所制备的复合片材1#-4#较高的PDIV，方波耐电晕寿命长，耐高温性能优异，力学性能优异。
对比复合材料1#使用单层热熔膜层，最终结果电气性能一般，耐高温性能一般；对比复合材料2#中使用第一和第二热熔膜层占比低于本申请限定的范围，最终结果电气性能一般，耐高温性能一般。
对比复合材料3#使用介电常数较大的塑料，最终结果电气性能一般，PDIV较低；对比复合材料4#使用温度低于本申请限定范围，最终第一、第二热熔膜层与云母纸层融合效果差，产生了部分界面融合，结果电气性能一般，方波耐电晕寿命短，力学性能一般。
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，包括以下重量百分比的原料制备而成：第一热熔膜层10-40％、云母纸层20-80％和第二热熔膜层10-40％。
2.根据权利要求1所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，所述第一热熔膜层、所述云母纸层和所述第二热熔膜层之间不使用胶黏剂。
3.根据权利要求1所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，所述第一热熔膜层的厚度为0.02-0.15mm，所述云母纸层的厚度为0.05-0.20mm，所述第二热熔膜层的厚度为0.02-0.15mm；
所述第一热熔膜层、所述云母纸层和所述第二热熔膜层的厚度比例为1:2:1。
4.根据权利要求1所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，所述第一热熔膜层选自聚苯硫醚、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚醚醚酮和聚醚酰亚胺中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，所述第二热熔膜层选自聚苯硫醚、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚醚醚酮和聚醚酰亚胺中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，所述第一热熔膜层和/或所述第二热熔膜层还包括无机纳米颗粒。
7.根据权利要求6所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，所述无机纳米颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、氮化硼、氮化铝和二氧化钛中的一种或几种，所述无机纳米颗粒的粒径为10nm-800nm。
8.根据权利要求1所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，所述云母纸层包括云母鳞片和补强材料，所述云母鳞片粒径为30目-800目。
9.根据权利要求8所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材，其特征在于，所述补强材料包括芳纶纤维、玻璃纤维中的一种或两种。
10.一种如权利要求1-9中任一所述的用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将第一热熔膜层、云母纸层和第二热熔膜层放卷并依次叠放在一起，层与层之间不需要涂覆胶黏剂；
(2)将叠放好的多层材料经热辊热压，热压温度为290-390℃，压力为5-20MPa；
(3)热压完成后即得所述用于新能源汽车电机的耐电晕复合片材。
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