介電功能梯度絕緣子的疊層制造方法
【專利說(shuō)明】介電功能梯度絕緣子的疊層制造方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高電壓設(shè)備制造領(lǐng)域，具體涉及介電功能梯度絕緣子的制造方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 在超/特高壓電力設(shè)備及脈沖功率設(shè)備中，固體絕緣系統(tǒng)的放電破壞時(shí)有發(fā)生，此 類破壞事故往往由電場(chǎng)不均勻帶來(lái)的絕緣耐電性能薄弱造成，給設(shè)計(jì)、制造帶來(lái)很高的技 術(shù)難度和成本，嚴(yán)重危及系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，并限制了設(shè)備向"小型化"、"集成化"方向進(jìn) 一步發(fā)展。
[0003] -般認(rèn)為，電場(chǎng)分布不均勻是導(dǎo)致絕緣擊穿破壞、耐電特性差的重要原因。對(duì)于絕 大多數(shù)的超/特高壓電力設(shè)備及脈沖功率設(shè)備，其絕緣所承受的電場(chǎng)分布往往極不均勻，特 別是絕緣結(jié)構(gòu)不同材料之間的結(jié)合處(如金屬導(dǎo)體、固體絕緣與氣、液、真空等構(gòu)成的復(fù)合 絕緣系統(tǒng)的界面和表面），由于材料介電參數(shù)的急劇變化，往往承受數(shù)倍于平均場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng) 強(qiáng)度。過(guò)于集中的電場(chǎng)強(qiáng)度不僅會(huì)降低絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓，減弱其耐電性能，而且會(huì)帶 來(lái)絕緣子的局部放電，加劇絕緣材料的老化。
[0004] 針對(duì)絕緣子內(nèi)部及其沿面局部電場(chǎng)集中的問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決方法主要是通過(guò)增大 絕緣尺寸、改變電極-介質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)改善電場(chǎng)分布，傳統(tǒng)方法起到效果往往有限，而且過(guò)于復(fù) 雜的絕緣結(jié)構(gòu)不僅給生產(chǎn)制造帶來(lái)很大的難度，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)很多附生問(wèn)題。"功能梯度材 料"（Functionally Graded Material，F(xiàn)GM)的出現(xiàn)為解決這一問(wèn)題提供了一種全新的思 路。該類材料在制備過(guò)程中，通過(guò)使用先進(jìn)的工藝，將不同性能的材料進(jìn)行復(fù)合，并使材料 特性在材料內(nèi)部不同空間位置上呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化，以"主動(dòng)"地克服局部應(yīng)力集中問(wèn)題。
[0005] FGM的概念也可以引入高電壓設(shè)備制造領(lǐng)域，因?yàn)楦鶕?jù)電磁場(chǎng)理論，若能適當(dāng)增大 電場(chǎng)局部集中區(qū)域的介電常數(shù)/電導(dǎo)率，就可以降低該區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到均化電場(chǎng)分布 的目的。目前，F(xiàn)GM材料的制備方法主要包括氣相沉積法、等離子噴涂法、自蔓延高溫合成 法、粉末冶金法等，這些方法適用于金屬、陶瓷類FGM材料的制備，不適用于主要以環(huán)氧樹(shù)脂 為代表的聚合物復(fù)合材料構(gòu)成的高電壓設(shè)備絕緣子。因此，需要研發(fā)針對(duì)聚合物復(fù)合材料 FGM絕緣子的制備工藝，以滿足當(dāng)代及未來(lái)高電壓設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展的需要。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供介電功能梯度絕緣子的疊層制造方法，通過(guò)分層疊加的方 式使得絕緣子內(nèi)部的填料濃度呈階梯狀的空間分布，以使絕緣子介電參數(shù)值(介電常數(shù)或 電導(dǎo)率)在空間上產(chǎn)生梯度變化，最終實(shí)現(xiàn)介電功能梯度絕緣子的制備。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 介電功能梯度絕緣子的疊層制造方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1、將絕緣子分成若干層，每層均由樹(shù)脂基體及填料混合而成的樹(shù)脂混合料構(gòu) 成;若干層的介電參數(shù)值呈梯度分布，根據(jù)每層的介電參數(shù)值計(jì)算各層樹(shù)脂混合料中填料 體積分?jǐn)?shù)；
[0010] 步驟2、樹(shù)脂基體包含環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑，兩者的質(zhì)量比為100:30~100;根據(jù)各層 樹(shù)脂混合料中填料體積分?jǐn)?shù)，結(jié)合樹(shù)脂混合料內(nèi)各類原料的密度值，計(jì)算各層樹(shù)脂混合料 的原料質(zhì)量配比；
[0011] 步驟3、按照步驟2計(jì)算的各層樹(shù)脂混合料的原料質(zhì)量配比，制備各層所需要的樹(shù) 脂混合料;各層所需要的樹(shù)脂混合料中填料的質(zhì)量比例由步驟1確定；
[0012] 步驟4、將各層所需要的樹(shù)脂混合料置于真空腔內(nèi)，加熱至80°C，并在真空腔內(nèi)攪 拌樹(shù)脂混合料，使填料均勻分散，并充分去除其中的氣泡；
[0013] 步驟5、向各層所需要的樹(shù)脂混合料中滴入固化促進(jìn)劑;將各層所需要的樹(shù)脂混合 料依次逐層倒入絕緣子模具內(nèi)，進(jìn)行逐層梯度絕緣子的制備;每次倒入一層之后升溫至120 °C并靜置5~30min，待該層樹(shù)脂原料凝膠化之后，再倒入下一層，并重復(fù)上述升溫及靜置過(guò) 程;直到所有層凝膠化之后獲得絕緣子；
[0014] 步驟6、將制備得到的絕緣子加熱至120°C進(jìn)行二次固化，固化時(shí)間5h以上，固化后 脫模制得介電功能梯度絕緣子。
[0015] 進(jìn)一步的，步驟1中填料體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法如下：
[0016] 首先，給定絕緣子內(nèi)部每層的介電常數(shù)或電導(dǎo)率值;其次，根據(jù)公式（1)的非對(duì)稱 Bruggeman有效介質(zhì)方程，求解相應(yīng)毎層的填料體積分?jǐn)?shù)：
[0017]
::(4)
[0018] 式（1)中，Φ*為所求的填料體積分?jǐn)?shù)，取值在0~1之間；k為步驟1中給定的介電參 數(shù)值;所述介電參數(shù)值為介電常數(shù)或電導(dǎo)率;h為樹(shù)脂基體的介電參數(shù)值;k t為填料的介電 參數(shù)值;α為與填料形狀有關(guān)的系數(shù)，取值范圍為0~1。
[0019] 進(jìn)一步的，步驟2中原料質(zhì)量配比的計(jì)算方法如下：
[0020] 首先，根據(jù)步驟1中得到的填料體積分?jǐn)?shù)Φ*，求解填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算公式如式 (2)所示：
(5、
[0021]
[0022] 式(2)中，9*為填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取值在〇~1之間;ms為環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量份數(shù)，單位為 g ; Hlg為固化劑的質(zhì)量份數(shù)，單位為g ; Pt、ps、Pg依次為填料、環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑的密度，單位 為g/cm3;
[0023] 其次，根據(jù)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)0t，求得樹(shù)脂混合料的質(zhì)量比例，具體如式(3)所示：
[0024]
(β
[0025] 式⑶中，Ps、Pg、Pt分別為環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑及填料的質(zhì)量比例。
[0026]進(jìn)一步的，步驟4中在真空腔內(nèi)使用機(jī)械攪拌方式處理樹(shù)脂混合料，處理時(shí)間為 0.5~lh，真空腔中氣壓小于0.02MPa。
[0027]進(jìn)一步的，樹(shù)脂基體中，環(huán)氧樹(shù)脂為E-44或E-51樹(shù)脂，固化劑為酸酐類固化劑，固 化促進(jìn)劑為2,4,6_三(二甲胺基甲基)苯酚，固化促進(jìn)劑質(zhì)量為樹(shù)脂混合料質(zhì)量的0.15%。
[0028] 進(jìn)一步的，固化劑為甲基四氫苯酐或甲基六氫鄰苯二甲酸酐。
[0029] 進(jìn)一步的，所述填料為氧化鋅、二氧化娃、氧化鋁、二氧化鈦、鈦酸鋇、二氧化鋇、錯(cuò) 鈦酸鉛、二氧化錫、摻銻二氧化錫、摻錫氧化銦、碳化硅、GaAs、CuBr、炭黑、石墨、碳纖維、碳 納米管、石墨烯中一種或多種的復(fù)合，填料形態(tài)為圓球狀、片狀或纖維狀，填料粒徑范圍為 0·1~IOOum 0
[0030] 進(jìn)一步的，所述絕緣子模具的材質(zhì)為不銹鋼，具有圓臺(tái)狀或圓柱狀空腔。
[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:本發(fā)明提供介電功能梯度絕 緣子的疊層制造方法，通過(guò)分層疊加的方式使得絕緣子內(nèi)部的填料濃度呈階梯狀的空間分 布，使絕緣子介電參數(shù)(介電常數(shù)或電導(dǎo)率)在空間上產(chǎn)生梯度變化，最終實(shí)現(xiàn)介電功能梯 度絕緣子的制備。采用本發(fā)明方法能夠使絕緣子內(nèi)產(chǎn)生梯度分布的介電參數(shù)(介電常數(shù)或 電導(dǎo)率)分布，從而優(yōu)化絕緣子內(nèi)部及沿面的電場(chǎng)分布，提高絕緣子的耐電性能。 【【附圖說(shuō)明】】
[0032]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0033]圖2為【具體實(shí)施方式】中介電功能梯度絕緣子的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為【具體實(shí)施方式】中絕緣子與介電常數(shù)均勻?yàn)?的環(huán)氧樹(shù)脂勻質(zhì)絕緣子在相同 交流高壓電極間沿面電場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)比示意圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0035] 請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明介電功能梯度絕緣子的疊層制造方法，包括以下步驟：
[0036] 步驟1、將絕緣子分成若干層，每層均由樹(shù)脂基體及填料混合而成的樹(shù)脂混合料構(gòu) 成;若干層的介電參數(shù)值呈梯度分布，根據(jù)每層的介電參數(shù)值計(jì)算各層樹(shù)脂混合料中填料 體積分?jǐn)?shù)；
[0037]步驟2、樹(shù)脂基體包含環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑，兩者的質(zhì)量比為100:30~100;根據(jù)各層 樹(shù)脂混合料中填料體積分?jǐn)?shù)，結(jié)合樹(shù)脂混合料內(nèi)各類原料的密度值，計(jì)算各層樹(shù)脂混合料 的原料質(zhì)量配比；
[0038]步驟3、按照步驟2計(jì)算的各層樹(shù)脂混合料的原料質(zhì)量配比，制備各層所需要的樹(shù) 脂混合料;各層所需要的樹(shù)脂混合料中填料的質(zhì)量比例由步驟1確定；
[0039]步驟4、將各層所需要的樹(shù)脂混合料置于真空腔內(nèi)，加熱至80°C，并在真空腔內(nèi)攪 拌樹(shù)脂混合料，使填料均勻分散，并充分去除其中的氣泡；
[0040] 步驟5、向各層所需要的樹(shù)脂混合料中滴入固化促進(jìn)劑;將各層所需要的樹(shù)脂混合 料依次逐層倒入絕緣子模具內(nèi)，進(jìn)行逐層梯度絕緣子的制備;每次倒入一層之后升溫至120 °C并靜置5~30min，待該層樹(shù)脂原料凝膠化之后，再倒入下一層，并重復(fù)上述升溫及靜置過(guò) 程;直到所有層凝膠化之后獲得絕緣子；
[0041] 步驟6、將制備得到的絕緣子加熱至120°C進(jìn)行二次固化，固化時(shí)間5h以上，固化后 脫模制得介電功能梯度絕緣子。
[0042] 步驟1中填料體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法如下：
[0043] 首先，給定絕緣子內(nèi)部每層的介電常數(shù)或電導(dǎo)率值;其次，根據(jù)公式（1)的非對(duì)稱 Bruggeman有效介質(zhì)方程，求解相應(yīng)每層的填料體積分?jǐn)?shù)：
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