CN116619649A - 一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置及方法，抽真空装置与烘箱的内腔连通，实验平台设置于烘箱的内腔；实验平台包括底板模具和加压层模具，加压层模具具有浇注型腔，底板模具设置于加压层模具的底部并将浇注型腔的底部封堵；加压层模具的浇注型腔内沿着高度方向间隔设有两对以上的用于模拟介电功能梯度材料实际工况下所处电场环境的电极；溶液供给发生器的出口设置在加压层模具的浇注型腔上方，溶液供给发生器用于为加压层模具的浇注型腔内浇注复合溶液，可控电压源与所有的电极连接。本发明能够改善材料的介电常数分布，以适应多维空间的复杂电场，同时还能够减少聚合物材料内部缺陷，提升绝缘材料的介电及电气性能。

Description

一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置及方法

技术领域

本发明属于电介质与电气绝缘研究领域，具体涉及一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置及方法。

背景技术

随着特高压、大容量输电技术的快速发展，对电力系统的器件及装备绝缘提出了更高的要求。为实现电力设备实际运行过程中的电场分布的有效调控，介电功能梯度材料作为一种具有空间非均匀介电参数分布的新型绝缘材料，通过调节材料介电常数或电导率的空间分布，能够显著提升绝缘器件的耐电强度。

介电泳效应，指的是介质微粒在受到非均匀电场作用下产生极化，造成微粒的移动现象。实验发现，介质微粒可以是电中性的，其泳动行为和微粒的尺寸、几何形状、微粒的介电特性及外电场频率、电压极性、电场的强度梯度等因素存在强烈的关联性，同时也会受到基体溶液的物理化学特性(介电常数、电导率、密度、流体动力黏度等)和环境温度的影响。因此，利用介电泳效应，通过调节溶液外在及内部所受介电泳力的影响因素，可以实现材料组分的体积分数在指定方向上的连续变化。

目前，采用介电泳操控技术能够实现颗粒在材料内部聚集及有序排列，但现有装置注重实现材料内部沿单一电场方向(例如径向)颗粒分布的单一变化。

对于电力电子器件(例如IGBT、MOSFET)工作的强电场环境，电场施加方向不唯一(例如三相脉冲整流电路)，高压芯片外部灌封的硅凝胶绝缘能力难以适应复杂多变的电场环境；对于直流GIL，在电力设备绝缘应用中，电场变化形式不唯一，例如支柱绝缘子中存在高压嵌件和低压嵌件的表面电场高的现象。现有装置无法利用介电泳操控技术制备满足上述应用场景的梯度绝缘材料。

另一方面，聚合物材料作为电力设备运行的主绝缘材料，在制样过程中通常存在抽真空不彻底、实验中混入灰尘、污秽等杂质导致试样存在瑕疵，且由于缺陷、气泡等尺寸过小难以根绝。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置及方法，本发明能够制备介电功能梯度聚合物复合材料和自适应电介质复合材料，改善材料的介电常数分布，以适应多维空间的复杂电场，同时还能够减少聚合物材料内部缺陷，提升绝缘材料的介电及电气性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，包括烘箱、实验平台、溶液供给发生器、抽真空装置和可控电压源；

抽真空装置与烘箱的内腔连通，实验平台设置于烘箱的内腔；

实验平台包括底板模具和加压层模具，加压层模具具有浇注型腔，底板模具设置于加压层模具的底部并将浇注型腔的底部封堵；加压层模具的浇注型腔内沿着高度方向间隔设有两对以上的用于模拟介电功能梯度材料实际工况下所处电场环境的电极；

溶液供给发生器的出口设置在加压层模具的浇注型腔上方，溶液供给发生器用于为加压层模具的浇注型腔内浇注复合溶液，可控电压源与所有的电极连接。

优选的，实验平台还包括顶板模具，顶板模具设置于加压层模具的顶部，顶板模具上设有与所述浇注型腔连通的浇注口。

优选的，电极头部的形状包括球形和/或蚕豆形。

优选的，所述电极包括金属球头和球杆，金属球头安装在球杆的一端，球杆采用圆柱形杆，金属球头作为电极的头部，加压层模具上设有电极插孔，球杆的另一端与电极插孔的口部相抵，球杆的直径大于电极插孔口部的直径，电极插孔中连接有电极连接插件；

所述球杆采用导体，金属球头与球杆的交界处光滑过渡，球杆上与电极插孔口部相抵的一端开设有螺纹孔，电极连接插件与球杆的螺纹孔螺纹连接，电极插孔的口部通过球杆的端部封堵。

优选的，烘箱上安装有真空陶瓷电极，电极连接插件与真空陶瓷电极之间通过导线连接，真空陶瓷电极通过导线与可控电压源连接。

优选的，每对电极中的两个电极在加压层模具上对称布置。

优选的，溶液供给发生器设置在烘箱的外部，溶液供给发生器包括储液瓶、油浴加热锅和搅拌器，储液瓶设置于油浴加热锅内，搅拌器的搅拌部设置于储液瓶内，储液瓶的出口连接有液体注入管，液体注入管的出口作为整个溶液供给发生器的出口，储液瓶的出口上设有阀门。

优选的，加压层模具采用叠层结构，包括至少两层叠放在一起的加压层模具单元，每层加压层模具单元上设置至少一对电极。

本发明还提供了一种基于介电泳的可控梯度材料制备方法，该制备方法采用本发明如上所述的基于介电泳的可控梯度材料制备装置进行，包括如下步骤：

S1，将烘箱调整至介电功能梯度材料对应复合溶液的浇注温度；

S2，通过溶液供给发生器向加压层模具的浇注型腔内浇注所述复合溶液，直至加压层模具的浇注型腔浇注满复合溶液；

S3，利用抽真空装置对烘箱的内腔抽真空，使浇注于加压层模具内的复合溶液进行真空脱泡处理；

S4，通过可控电压源对加压层模具上的电极施加模拟实际工况下的非均匀电场，对复合溶液进行加压，使复合溶液内的极化颗粒由无序状态转变为自组装排列的有序状态；

S5，控制烘箱温度，并使所述复合溶液在大气压下固化。

优选的，可控电压源对复合溶液所加电压的电压幅值不超过所述介电功能梯度材料内部能承受的击穿电压，或者可控电压源对复合溶液所加电压的电压幅值不超过所述介电功能梯度材料用于高压设备固体绝缘系统时规定的最大安全值。

与现有技术相比，本发明有如下的有益效果：

本发明的制备装置中，加压层模具的浇注型腔内沿着高度方向间隔设有两对以上的用于模拟介电功能梯度材料实际工况下所处电场环境的电极，通过可控电压源对加压层模具上的电极施加模拟实际工况下的非均匀电场，因此本发明的制备装置能够实现在材料制备过程中对梯度矢量的维数、梯度方向以及介电粒子排布的可控调节，使复合材料内部场强及沿面电场的不均匀程度得到明显改善。具体来说地，本发明能够实现复合材料在三维空间多方向上有规律的介电粒子掺杂浓度变化，通过自适应地调整材料的介电常数，获得改善的介电常数分布，本发明的制备装置可利用介电泳操控技术用来制备用于电力电子器件(例如IGBT、MOSFET)和电力设备的内、外绝缘材料。同时，梯度材料内部无明显分界面，消除界面效应带来的体电荷积聚及绝缘劣化影响。另一方面，本发明针对制样过程中会不可避免地引入气泡、杂质这些缺陷的情形，通过借助缺陷处存在的极不均匀电场，能使介质微粒向缺陷处迁移并聚集，降低缺陷处的场强畸变程度，达到在制样过程中的自修复效果，因此本发明的制备装置能够有效降低缺陷对介电功能梯度材料的不利影响。综上可以看出，本发明能够改善材料的介电常数分布，以适应多维空间的复杂电场，同时还能够减少聚合物材料内部缺陷，有效预防因缺陷产生畸变电场的不利影响，提升绝缘材料的介电及电气性能。

附图说明

图1是本发明基于介电泳的可控梯度材料制备装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的实验平台的结构示意图；

图3是本发明实施例的第一电极(或第二电极)的结构示意图；

图4是本发明实施例的溶液供给发生器的结构示意图；

图5是本发明实施例的采用的真空陶瓷电极的结构示意图；

图6是本发明电极连接插件的结构示意图；

图7是本发明实施例制备的介电功能梯度材料的截面电场二维分布图；

图8是本发明实施例制备的介电功能梯度材料的体电场三维分布图；

图中：1为烘箱，1-1为抽气口，2为实验平台，2-1为顶板模具，2-2为加压层模具单元，2-3为底板模具，2-4为第一电极，2-5为第二电极，2-6为电极连接插件，2-7为电极插孔，2-8为浇注口，2-9为金属球头，2-10为球杆，3为溶液供给发生器，3-1为储液瓶，3-2为油浴加热锅，3-3为搅拌器，3-4为支撑杆，3-5为支撑台，3-6为阀门，4为真空泵，5为真空陶瓷电极，6为可控电压源，7为液体注入管，8为导电杆，9为高纯度铝陶瓷绝缘子串，10为KF法兰，11为卡箍。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步地说明。

本发明为延长聚合物材料的使用寿命、保障设备的安全稳定运行，做到“故障”前预防，提供了一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置和方法，在制备介电功能梯度复合材料时，通过电场诱导的方式调控粒子取向排布和靶向泳动，降低局部畸变的过高场强，均化介质内部电场；同时，对试样本身达到自修复效果，避免出现局部构造缺陷。该方法应用方式灵活，在绝缘材料耐局放、耐老化、空间电荷抑制性能上有着明显的提升作用，为绝缘结构的设计手段和制备工艺的优化调整提供参考。

参见图1和图2，本发明基于介电泳的可控梯度材料制备装置，包括烘箱1、实验平台2、溶液供给发生器3、抽真空装置和可控电压源6；抽真空装置与烘箱1的内腔连通，实验平台2设置于烘箱1的内腔；实验平台2包括底板模具2-3和加压层模具，加压层模具具有浇注型腔，底板模具2-3设置于加压层模具的底部并将浇注型腔的底部封堵；加压层模具的浇注型腔内沿着高度方向间隔设有两对以上的用于模拟介电功能梯度材料实际工况下所处电场环境的电极；溶液供给发生器3的出口设置在加压层模具的浇注型腔上方，溶液供给发生器3用于为加压层模具的浇注型腔内浇注复合溶液，可控电压源6与所有的电极连接。

本发明还提供了一种基于介电泳的可控梯度材料制备方法，该制备方法采用本发明如上所述的基于介电泳的可控梯度材料制备装置进行，包括如下步骤：

S1，将烘箱1调整至介电功能梯度材料对应复合溶液的浇注温度；

S2，通过溶液供给发生器3向加压层模具的浇注型腔内浇注所述复合溶液，直至加压层模具的浇注型腔浇注满复合溶液；

S3，利用抽真空装置对烘箱1的内腔抽真空，使浇注于加压层模具内的复合溶液进行真空脱泡处理；

S4，通过可控电压源6对加压层模具上的电极施加模拟实际工况下的非均匀电场，对复合溶液进行加压，使复合溶液内的极化颗粒由无序状态转变为自组装排列的有序状态；复合溶液内的极化颗粒由无序状态转变为自组装排列的有序状态的判断方式如下：一、测量复合溶液的介电常数，当复合溶液的介电常数稳定后，则认为复合溶液内的极化颗粒由无序状态已转变为自组装排列的有序状态；二、监测电压信号和电流信号，当施加的电压信号和电流信号之间的相位差随时间变化小于1％时，则认为复合溶液内的极化颗粒由无序状态已转变为自组装排列的有序状态；

S5，控制烘箱1温度，使所述复合溶液在大气压下固化。

本发明的上述方法中，在S1之前还包括如下过程：准备一能够模拟实际工况下的非均匀电场的实验平台2，并将所述实验平台2安装于烘箱1内，之后再进行S1。

在S3中，利用抽真空装置对烘箱1的内腔抽真空时，为了避免复合溶液中的小分子物质流失，因此控制烘箱1内腔的气压不小于100Pa。

在S4中，通过可控电压源6对加压层模具上的电极施加电压时，电压幅值不超过所述介电功能梯度材料内部能承受的击穿电压或者所述介电功能梯度材料用于高压设备固体绝缘系统时规定的最大安全值。

上述方案中，还可以在实验平台2上与复合溶液接触的表面均设置脱模剂，这样有利于固化完成后进行脱模操作；在设置脱模剂时，将脱模剂喷涂于实验平台2上与复合溶液接触的表面，之后再进行加热烘干。

在S5中，当述复合溶液固化后，可进行脱模，将固化得到的材料从模具中取出。

本发明的上述方法中，为模拟实际工况下的非均匀电场，需设计电极的形状、数量、位置以及施加的电压参数，通过外接电源向实验平台2施加电场条件，对复合溶液进行合适时长的加压。所述加压层模具施加的电压参数，改变条件包括但不限于电源类型(直流/交流)、电压幅值、电压频率、电压极性。具体设计过程可根据实际需要进行调整，本发明不做具体的限定。

参见图2，本发明的实验平台2还包括顶板模具2-1，顶板模具2-1设置于加压层模具的顶部，顶板模具2-1与加压层模具的顶部之间可拆卸连接，顶板模具2-1上设有与所述浇注型腔连通的浇注口2-8，浇注口2-8的形状为方形，浇注口2-8面积不大于加压层模具内部的试样浇注口(即加压层模具的上端口)。顶板模具2-1采用具有一定厚度的片状结构，在向加压层模具的浇注型腔内浇注复合溶液时，可将复合溶液的液面控制在顶板模具2-1厚度方向范围内，顶板模具2-1中间的浇注口2-8能够容纳一定量的复合溶液，满足复合溶液在固化过程中的热胀冷缩需求，同时，上浮的气泡、杂质等能够被容纳在浇注口2-8的部位，在固化完成后，可将顶板模具2-1对应部分切除，保证所得样品的品质完好。

本发明的电极用于产生不均匀电场，为避免发生边缘效应，防止电极局部形成较高场强畸变，电极头部的形状采用球形和/或蚕豆形。每对电极中的两个电极在加压层模具上对称布置；每对电极中的两个电极均为球电极。

参见图2和图3，本发明所采用的电极一种典型结构如下：包括金属球头2-9和球杆2-10，金属球头2-9作为电极的头部安装在球杆2-10的一端，球杆2-10采用圆柱形杆，加压层模具上设有电极插孔2-7，球杆2-10的另一端与电极插孔2-7的口部相抵，球杆2-10的直径大于电极插孔2-7口部的直径，电极插孔2-7中连接有电极连接插件2-6；所述球杆2-10采用导体，金属球头2-9与球杆2-10的交界处光滑过渡，球杆2-10上与电极插孔2-7口部相抵的一端开设有螺纹孔，电极连接插件2-6与球杆2-10的螺纹孔螺纹连接，电极插孔2-7的口部通过球杆2-10的端部封堵。该结构的电极在脱模时，将电极连接插件2-6与球杆2-10拆开，此时整个电极结构嵌入在了固化后的材料中，脱模时电极随着固化后的材料一起从加压层模具出来，只有将固化后材料进行切割、将含电极部分切除即可。此外，如果不设置球杆2-10，直接将金属球头2-9封堵在电极插孔2-7的口部时，由于金属球头2-9、电极插孔2-7的口部和复合溶液的介电常数不同，此时在金属球头2-9、电极插孔2-7的口部和复合溶液的结合点处电场畸变严重，会导致复合溶液的材料分解，分解产生的物质会溶入复合溶液中，进而导致最终制备的介电功能梯度材料料成分改变；此外还有可能在最终的介电功能梯度材料中产生电树，使制备的介电功能梯度材料劣化。因此本发明中设置球杆2-10，球杆2-10一般采用圆柱形，在电极加压后，能够有效降低圆柱形的球杆2-10、电极插孔2-7的口部和复合溶液的结合点处电场畸变程度，避免上述问题。

参照图2，作为本发明优选的实施方案，顶板模具2-1的长度为a1，宽度为b1，厚度为c1，加压层模具单元2-2的长度为a2，宽度为b2，厚度为c2；底板模具2-3的长度为a3，宽度为b3，厚度为c3。典型的，可取a1、a2、a3分别为20cm、20cm、35cm，b1、b2、b3分别为15cm、15cm、20cm，c1、c2、c3分别为1cm、4cm、6cm。在具体实施例中，三个加压层模具单元2-2均在模具的左侧加装第一电极2-4、右侧加装第二电极2-5，所述第一电极2-4和第二电极2-5为对称结构，电极形状选为球电极，所述球电极包括金属球头2-9和球杆2-10，球杆2-10为导电杆，球杆2-10内嵌有螺孔。第一电极2-4和第二电极2-5的金属球头直径为1.6cm，球杆长度为0.5cm。顶板模具2-1置于所有模具的最上层，顶板模具2-1开设的方形浇注口2-8长为14cm，宽为10cm。顶板模具2-1、加压层模具单元2-2和底板模具2-3上均对应开设四个螺孔，顶板模具2-1、加压层模具单元2-2和底板模具2-3通过螺柱和螺母在螺孔处可拆卸固定连接为一个整体结构。

参见图1，本发明在烘箱1上安装有真空陶瓷电极5，电极连接插件2-6与真空陶瓷电极5之间通过导线连接，真空陶瓷电极5通过导线与可控电压源6连接，从而实现位于烘箱1外部的可控电压源6与位于烘箱1内部的实验平台2之间的电连接。

参见图1和图4，本发明设置在烘箱1的外部，所采用的溶液供给发生器3的一种典型结构如下：溶液供给发生器3包括储液瓶3-1、油浴加热锅3-2和搅拌器3-3，储液瓶3-1用来储存复合溶液，储液瓶3-1设置于油浴加热锅3-2内，利用油浴加热锅3-2能够对储液瓶3-1内的复合溶液进行加热以及维持在浇注温度，搅拌器3-3的搅拌部设置于储液瓶3-1内，利用搅拌器3-3的搅拌作用，能够使储液瓶3-1内的复合溶液保持均匀的状态，保证固化剂和促进剂与溶液混合均匀，储液瓶3-1的出口连接有液体注入管7，液体注入管7的出口作为整个溶液供给发生器3的出口，储液瓶3-1的出口上设有阀门3-6，在浇注时，通过控制阀门3-6来控制浇注速度和浇注的量。溶液供给发生器3还包括支撑杆3-4和支撑台3-5，油浴加热锅3-2架设在支撑台3-5上，搅拌器3-3通过支撑杆3-4固定在支撑台3-5上。在溶液供给发生器3中配置复合溶液时，按照配方比例将复合溶液的原料加入储液瓶3-1中，设置油浴加热锅3-2的温度为预设的恒定温度，利用搅拌器3-3对溶液进行搅拌，搅拌均匀后得到所述复合溶液。

本发明的抽真空装置可采用真空泵4，烘箱1上设有抽气口1-1，真空泵4的进气口与抽气口1-1连接，结构相对简单、成本低；

本发明的加压层模具可以采用一体式的，根据试样材料的高度采用相应高度的加压层模具，还可以采用叠层结构，此时，参见图2，加压层模具包括至少两层叠放在一起的加压层模具单元2-2，每层加压层模具单元2-2上设置至少一对电极，该结构的加压层模具能够根据试样材料的高度，来选取合适数量的加压层模具单元2-2组装形成本发明的加压层模具，使得本发明的适应性更广，减少了本发明的加压层模具的规格数量。顶板模具2-1、加压层模具单元2-2和底板模具2-3之间可通过长螺栓可拆卸连接，便于整个试验平台的组装以及后期与固化材料的脱模。顶板模具2-1、加压层模具单元2-2、底板模具2-3和上述长螺栓均可采用耐高温聚四氟绝缘材料制成，该材料具备优良的化学稳定性和电绝缘性。

参照图5，本发明采用的真空陶瓷电极5的典型结构如下：真空陶瓷电极5包括导电杆8、高纯度铝陶瓷绝缘子串9、KF法兰10和卡箍11，导电杆8上端与可控电压源6对应的输出端连接，下端与加压层模具2-2对应的电极连接插件2-6连接，卡箍11用于将KF法兰10固定。

参照图6，本发明采用的电极连接插件2-6的外轮廓贴合加压层模具单元2-2两侧的电极插孔2-7，电极连接插件插头处有螺纹，可旋转固定，电极连接插件与电极保持并形成良好的电接触。

本发明的上述方案中，复合溶液内掺杂的颗粒粒径小于70μm，具有良好的分散性和悬浮性。复合溶液的基体溶液的粘度在常温(25℃)下小于或等于50Pa·s，优选地，所述基体溶液的粘度在10～20Pa·s范围内。本发明制备装置的整体组装用于聚合物复合材料的制备，能够通过与外部设备连接控制电场、温度、真空度和压强，实现具有梯度特征和修复功能的聚合物材料的浇注固化，试样的整体厚度可以通过加压层模具的选择实现。

实施例1

本实施例以制备介电功能梯度聚合物复合材料为例，常温25℃下，聚合物复合溶液的基体溶液测定粘度为10～14Pa·s，填料为平均粒径为10μm的球形颗粒，添加质量比例为150％。选取三个相同厚度的加压层模具单元2-2，按照图2将模具进行组装。为方便描述，对6个电极进行编号，由上到下，第一层加压层模具单元2-2的第一电极为A电极，第一层加压层模具单元2-2的第二电极为B电极，第二层加压层模具单元2-2的第一电极为C电极，……，以此类推。实验的目的是形成与GIS用支柱绝缘子相似的两边大中间小的电场环境。

本实施例制备介电功能梯度聚合物复合材料的主要流程包括模具清理、组装、配料、浇注、脱气、加压固化，具体步骤如下：

(1)清洁基于介电泳的可控梯度材料制备装置的各个零部件，用沾有酒精的无尘布擦拭各零部件表面，做到表面干净、光整无尘；

(2)喷涂脱模剂，在顶板模具2-1和加压层模具单元2-2的内侧、底板模具2-3的上表面和组装模具用到的螺柱、螺母均匀喷涂脱模剂，之后将所有零部件以恒温130℃加热2～3小时，以便烘干去除水分；

(3)组装实验平台，在喷过脱模剂的各零部件冷却后，将顶板模具2-1、加压层模具单元2-2和底板模具2-3进行组装，拧紧螺母，保证制样过程中的密封性，在每个加压层模具单元2-2的左右两侧分别将第一电极2-4和第二电极2-5旋入相应的电极连接插件2-6，将其固定；

(4)设置烘箱1温度为溶液的浇注温度60℃，按照液态高分子聚合物、固化剂和促进剂1:0.85:0.003的比例进行溶液的配置，同时向溶液内掺杂无机颗粒，设置油浴加热锅3-2的温度为恒温60℃，利用搅拌器3-3以400r/min的速度搅拌30min，保证溶液混合均匀，之后拧开阀门3-6，向实验平台2的方形浇注口2-8浇注复合溶液；

(5)利用真空泵4进行真空脱气处理，该过程持续3～4小时，并保证烘箱1腔内气压不小于100Pa，避免溶液中的小分子物质流失；

(6)给三层加压层模具单元2-2上的电极通电，设置电源类型为直流，每层加压层模具单元2-2的第一电极2-4和第二电极2-5施加电压的幅值相等，A电极、B电极正极性电压40kV，C电极、D电极正极性电压15kV，E电极、F电极负极性电压10kV，对溶液施加电场，时间持续1.5～2小时；

(7)保持加电压，按照固化流程处理，分时段设置烘箱1温度，在大气压环境下完成升温固化和缓慢降温，释放内应力，避免材料表面形成明显的固化收缩纹。

所述溶液内添加无机球形颗粒的相对介电常数为气泡的6倍以上，因此能够有效均化缺陷处电场，改善内部电场的畸变程度。

典型的，介电功能梯度聚合物复合材料是以环氧树脂为基体，氧化硅、氧化铝、二氧化钛或钛酸钡(低填料含量)无机填料加压固化成型。

图7为介电功能梯度聚合物复合材料截面的二维电场分布的仿真结果图，箭头代表电场平方的梯度方向，即粒子运动轨迹方向。从图7中可以看出，填料颗粒由电场较弱的区域到高场区具有明显的取向性，基于介电泳力，填料颗粒从中间向两侧电极处运动排列，从而形成截面上从左到右方向先单调递减后递增(U形分布)的粒子浓度，实现材料左右两侧较高内部较低的介电常数分布，以降低材料两侧的场强，相应的抬升内部电场，进一步均化电场分布。图8显示了更加直观的几何体三维电场分布图，在溶液基体内部电极附近的梯度显著增大，造成填料颗粒向电极区域聚集的现象，使得电极区域粒子浓度增大，以削弱高畸变电场。

综上所述，本发明具有以下特点：

首先，本发明旨在提供一种基于介电泳的可控介电功能梯度聚合物复合材料的制备装置及方法，通过改变电极的形状、数量和位置分布，并对电极施加不同的电场条件，从而调节外加电场方向与实际电场方向基本一致，得到与实际电场相似的不均匀电场环境，改善材料内部及沿面调节区域的介电常数分布，调控电场分布；其次，本发明旨在提供一种基于介电泳的自适应电介质复合材料制备装置及方法，利用加压后溶液内部的局部缺陷(气泡、杂质等)处产生较为严重的电场畸变，促使介质微粒在较大的介电泳力作用下向缺陷区域定向移动，并将缺陷包裹住形成保护圈，从而降低缺陷处的电场畸变程度，进一步均化电场。

本发明提供的可控梯度材料的制备装置，适用于制备多种材料，包括但不限于热固性高分子绝缘材料的浇注成型，例如多层热固性树脂试样，以及热塑性材料的熔融注塑。所述介电功能梯度聚合物复合材料应用于多种领域，例如电力设备和电力电子器件的内、外绝缘和界面绝缘，以及绝缘材料的多维性能和内在机理研究。

本发明制备装置的优点在于，通过对加压层模具厚度的调整可以控制试样的厚度；能够通过与外部设备连接控制电场、温度、真空度和压强，实现具有梯度特征和修复功能的聚合物材料的浇注固化；整体模具密封性好，模具接触面通过喷涂脱模剂，便于取样，保证试样的完整度。

从上述方案可以看出，本发明操作过程简单方便，制样方式灵活，试样厚度可控，通过对聚合物复合溶液两侧施加电压，可以实现多种条件下的材料制备，制得满足单一及多个方向上不同介电特性要求的介电功能梯度材料，也可以实现在制样过程中对缺陷进行及时的补救，有效预防固体局放、击穿、老化等故障发生，因此本发明能够有效提高复合绝缘材料的绝缘及耐电性能，延长材料的使用寿命，提升制样效率。本发明可进一步探究多维空间介电泳力对粒子取向排布和靶向泳动的影响机理，研究介电泳修复方法对材料电气性能的改善和提升效果。

Claims (10)

1.一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，其特征在于，包括烘箱(1)、实验平台(2)、溶液供给发生器(3)、抽真空装置和可控电压源(6)；

抽真空装置与烘箱(1)的内腔连通，实验平台(2)设置于烘箱(1)的内腔；

实验平台(2)包括底板模具(2-3)和加压层模具，加压层模具具有浇注型腔，底板模具(2-3)设置于加压层模具的底部并将浇注型腔的底部封堵；加压层模具的浇注型腔内沿着高度方向间隔设有两对以上的用于模拟介电功能梯度材料实际工况下所处电场环境的电极；

溶液供给发生器(3)的出口设置在加压层模具的浇注型腔上方，溶液供给发生器(3)用于为加压层模具的浇注型腔内浇注复合溶液，可控电压源(6)与所有的电极连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，其特征在于，实验平台(2)还包括顶板模具(2-1)，顶板模具(2-1)设置于加压层模具的顶部，顶板模具(2-1)上设有与所述浇注型腔连通的浇注口(2-8)。

3.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，其特征在于，电极头部的形状包括球形和/或蚕豆形。

4.根据权利要求3所述的一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，其特征在于，所述电极包括金属球头(2-9)和球杆(2-10)，金属球头(2-9)安装在球杆(2-10)的一端，球杆(2-10)采用圆柱形杆，金属球头(2-9)作为电极的头部，加压层模具上设有电极插孔(2-7)，球杆(2-10)的另一端与电极插孔(2-7)的口部相抵，球杆(2-10)的直径大于电极插孔(2-7)口部的直径，电极插孔(2-7)中连接有电极连接插件(2-6)；

所述球杆(2-10)采用导体，金属球头(2-9)与球杆(2-10)的交界处光滑过渡，球杆(2-10)上与电极插孔(2-7)口部相抵的一端开设有螺纹孔，电极连接插件(2-6)与球杆(2-10)的螺纹孔螺纹连接，电极插孔(2-7)的口部通过球杆(2-10)的端部封堵。

5.根据权利要求4所述的一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，其特征在于，烘箱(1)上安装有真空陶瓷电极(5)，电极连接插件(2-6)与真空陶瓷电极(5)之间通过导线连接，真空陶瓷电极(5)通过导线与可控电压源(6)连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，其特征在于，每对电极中的两个电极在加压层模具上对称布置。

7.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，其特征在于，溶液供给发生器(3)设置在烘箱(1)的外部，溶液供给发生器(3)包括储液瓶(3-1)、油浴加热锅(3-2)和搅拌器(3-3)，储液瓶(3-1)设置于油浴加热锅(3-2)内，搅拌器(3-3)的搅拌部设置于储液瓶(3-1)内，储液瓶(3-1)的出口连接有液体注入管(7)，液体注入管(7)的出口作为整个溶液供给发生器(3)的出口，储液瓶(3-1)的出口上设有阀门(3-6)。

8.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可控梯度材料制备装置，其特征在于，

加压层模具采用叠层结构，包括至少两层叠放在一起的加压层模具单元(2-2)，每层加压层模具单元(2-2)上设置至少一对电极。

9.一种基于介电泳的可控梯度材料制备方法，其特征在于，该制备方法采用权利要求1-8任意一项所述的基于介电泳的可控梯度材料制备装置进行，包括如下步骤：

S1，将烘箱(1)调整至介电功能梯度材料对应复合溶液的浇注温度；

S2，通过溶液供给发生器(3)向加压层模具的浇注型腔内浇注所述复合溶液，直至加压层模具的浇注型腔浇注满复合溶液；

S3，利用抽真空装置对烘箱(1)的内腔抽真空，使浇注于加压层模具内的复合溶液进行真空脱泡处理；

S4，通过可控电压源(6)对加压层模具上的电极施加模拟实际工况下的非均匀电场，对复合溶液进行加压，使复合溶液内的极化颗粒由无序状态转变为自组装排列的有序状态；

S5，控制烘箱(1)温度，并使所述复合溶液在大气压下固化。

10.根据权利要求9所述的一种基于介电泳的可控梯度材料制备方法，其特征在于，可控电压源(6)对复合溶液所加电压的电压幅值不超过所述介电功能梯度材料内部能承受的击穿电压，或者可控电压源(6)对复合溶液所加电压的电压幅值不超过所述介电功能梯度材料用于高压设备固体绝缘系统时规定的最大安全值。