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電氣強(qiáng)度/介電強(qiáng)度測(cè)試儀—復(fù)合材料工頻電氣強(qiáng)度研究

摘要：以乙烯基酯樹(shù)脂澆注體及樹(shù)脂傳遞模塑工藝成型的復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料不同厚度、不同方向進(jìn) 行工頻電氣強(qiáng)度測(cè)試，以及對(duì)材料擊穿部位的分析研究，初步探討了復(fù)合材料厚度、復(fù)合材料纖維布層方向?qū)ゎl電氣強(qiáng)度的影響。

關(guān)鍵詞：樹(shù)脂傳遞模塑；復(fù)合材料；電氣強(qiáng)度；擊穿

無(wú)堿玻纖增強(qiáng)材料及乙烯基酷樹(shù)脂基體，均具有良好的電絕緣性能和介電性能，無(wú)堿玻纖在常溫下體積電阻率和表面電阻率均大于10¹⁵Ω·cm，在頻率為10⁶Hz時(shí)的介電損耗角（tgδ）為1.1×10^-3，氣介電常數(shù)ε為6.6；乙烯基酷樹(shù)脂1mm澆注體耐電壓為14~ 18kV，澆注體體積電阻和表面電阻一般≥10¹⁵Ω·cm，乙烯基酷復(fù)合材料體積電阻一般為10¹³~ 10¹⁴Ω·cm、表面電阻一般 10¹²Ω·cm。乙烯基酷樹(shù)脂和不飽和聚酣樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等大多數(shù)高分子材料一樣，具有良好的電絕緣性能，可用于電氣材料領(lǐng)域。但通常人們更關(guān)注乙烯基酣樹(shù)脂的耐腐蝕性能而不強(qiáng)調(diào)它的電氣性能，有關(guān)乙烯基酣樹(shù)脂及其復(fù)合材料的電氣性能鮮有報(bào)道。本文對(duì)乙烯基酷澆注體、無(wú)堿玻纖／乙烯基酣復(fù)合材料電氣強(qiáng)度進(jìn)行研究，希望能為研究者提供參考和幫助。

1實(shí)驗(yàn)部分

1．1原材料

乙烯基酯樹(shù)脂；無(wú)堿玻璃纖維雙軸向(0°／90°)縫編織物，面密度約為730g／m²；無(wú)堿玻璃纖維斜紋布；面密度約為200 g／m²；固化劑110，促進(jìn)劑，白色漿(鈦白粉)，自制。

1.2   試樣制作

1. 2. 1       樹(shù)脂澆注體制備

在兩塊方形平板玻璃之間放置密封膠條，在密封膠條外側(cè)設(shè)限位塊，用夾具將兩塊玻璃夾緊，形成一個(gè)閉合的模腔，按樹(shù)脂固化劑：促進(jìn)劑＝100:1.5:0.15的比例攪拌均勻后倒人玻璃板模具中，常溫固化后放入烘箱中，80℃保待2h進(jìn)行后固化。

1．2．2 GF／VE復(fù)合材料板制備

在專用RTM平板注射模具中，鋪設(shè)相應(yīng)層數(shù)的 無(wú)堿玻璃纖維雙軸向縫編織物及無(wú)堿玻璃纖維斜紋 布，纖維重量含量為55％一60％，合模后以VARTM 方式注射乙烯基酯樹(shù)脂，常溫固化后放入烘箱中， 80℃保持2h進(jìn)行后固化。

1．2．3試樣尺寸

試樣規(guī)格1：樹(shù)脂澆注體尺寸為：100mmx 100 mmx2mm;

試樣規(guī)格2：復(fù)合材料板垂直纖維布層向：100 mmX100mmX2mm、150mm X 150mm X 5mm、150mmx 150mmx7mm、150mmx I50mmx10mm;

試樣規(guī)格3：復(fù)合材料板平行纖維布層向：100 mmX25mmx 10mm。

1．3試驗(yàn)設(shè)備

    試驗(yàn)設(shè)備：ZJC-150E型擊穿耐壓測(cè)試儀，量程為150kV。

1．4測(cè)試依據(jù)及方法

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：GB／T 1408．1—2006絕緣材料電氣 強(qiáng)度試驗(yàn)方法。

(1)逐級(jí)升壓法

在常溫變壓器油中，以2kV／s的速度升壓至保壓起壓(不同試體板保壓起壓不同)，達(dá)到起壓后保壓20s；然后以2kV為一檔，以2kV／s的速度升壓， 每檔保壓停留20s直至50kV；50kV以上以5kV為 一檔，以5kV／s的速度升壓，每檔保壓停留20s。

(2)快速升壓法

在常溫變壓器油中，以2kV／s的速度升壓直至 試樣擊穿。

2結(jié)果與討論

2．1 乙烯基酯樹(shù)脂澆注體電氣強(qiáng)度

表1為乙烯基酯樹(shù)脂澆注體以不同升壓方式進(jìn) 行的電氣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

表1 乙烯基酯樹(shù)脂澆注體電氣強(qiáng)度

從表1可以看出，采用不同升壓方式，乙烯基酯 樹(shù)脂澆注體的電氣強(qiáng)度明顯不同。采用逐級(jí)升壓 法，其電氣強(qiáng)度平均值為14.2kV／mm；采用連續(xù)升 壓法，其電氣強(qiáng)度平均值為19.2kV／mm。2mm樹(shù)脂 澆注體連續(xù)升壓法的電氣強(qiáng)度比逐級(jí)升壓法高約35％。

擊穿電壓是指物質(zhì)能抗耐擊穿及放電的最高電壓梯度，當(dāng)超過(guò)擊穿電壓時(shí)，物質(zhì)全部結(jié)構(gòu)變成不穩(wěn) 定甚至破壞；固體物體的電擊穿現(xiàn)象極為復(fù)雜，直到現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)wan全的理論。從表1測(cè)試結(jié)果可以看出，逐級(jí)升壓法試樣擊穿時(shí)承受電壓的時(shí)間為 99—137s，而快速升壓法測(cè)試時(shí)直至擊穿總用時(shí)約為20s，快速升壓法試樣耐受電壓時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于逐級(jí) 升壓法，我們認(rèn)為試樣絕緣性能損失及材料擊穿破 壞需要一定的時(shí)間，快速升壓法材料受電荷作用的 時(shí)間短，所以它的電氣強(qiáng)度明顯高于逐級(jí)升壓法。

2．2  2mm GF／VE復(fù)合材料板垂直層向電氣強(qiáng)度

將3層雙軸向縫編織物放入專用RTM平板模具中，合模，然后以VARTM方式注射。按要求固化 處理后得到復(fù)合材料板，并按試樣規(guī)格2加工試樣。為評(píng)價(jià)色漿對(duì)電氣強(qiáng)度的影響，在4號(hào)板、5號(hào)板樹(shù)脂膠液中加入質(zhì)量比為4％的白色漿。測(cè)試結(jié)果見(jiàn) 表2和表3。

表2  VARTM成型2mm GF／VE復(fù)合材料板電氣強(qiáng)度

表3 VARTM成型2mm GF／VE復(fù)合材料板

(加色漿)電氣強(qiáng)度

從表1、表2的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，2mm GF／VE 復(fù)合材料薄板的電氣強(qiáng)度與相同厚度樹(shù)脂澆注薄板 的電氣強(qiáng)度基本一致甚至略高，與復(fù)合材料電氣強(qiáng) 度一般較相同厚度的純樹(shù)脂低的通常認(rèn)識(shí)不盡一致。這可能是由于采用VARTM成型時(shí)，樹(shù)脂wan全 浸透玻璃纖維，復(fù)合材料的孔隙率低于1％，沒(méi)有明 顯缺陷，而無(wú)堿玻纖的電氣性能與VE樹(shù)脂澆注體 基本相當(dāng)或略高，而樹(shù)脂澆注體本身微觀上存在較 多缺陷所致。

從表2、表3的測(cè)試結(jié)果可以看出，2mm復(fù)合材料板采用快速升壓法，其電氣強(qiáng)度均值為20.2kV／ mm，當(dāng)加入4％白色漿時(shí)，其電氣強(qiáng)度均值為18.8kV／mm，表明涂加色漿量在4％以下時(shí)，對(duì)復(fù)合 材料電氣強(qiáng)度影響很小，測(cè)試結(jié)果也符合聚酯型FRP垂直纖維布層方向擊穿電壓(13—40)kV／mm 的文獻(xiàn)結(jié)果.

從表3中4-1 -4-5及4-6-4-8的測(cè)試結(jié)果可以看出，同樣的復(fù)合材料板以不同的升壓方式進(jìn)行測(cè)量，快速升壓法的電氣強(qiáng)度均值為18. 8kV/mm，逐級(jí)升壓法的電氣強(qiáng)度均值為13.6kV/mm，快速升壓法的電氣強(qiáng)度比逐級(jí)升壓法高38%。

2．3  5mm GF／VE復(fù)合材料板垂直層向電氣強(qiáng)度

將7層雙軸向縫編織物放人專用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按固化要求處理后得到試體板，并按試樣規(guī)格2加工試樣。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 VARTM成型5mm GF／VE復(fù)合材料板

電氣強(qiáng)度測(cè)試值

表4測(cè)試結(jié)果表明，5mm GF／VE復(fù)合材料板逐 級(jí)升壓法的電氣強(qiáng)度均值為9.3kV／mm。

2．4  7mm GF／VE復(fù)合材料板垂直層向電氣強(qiáng)度

將10層雙軸向縫編織物放入專用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按固化要求處理后得到試體板，并按試樣規(guī)格2加工試樣。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 VARTM成型7mm GF／VE復(fù)合材料板

電氣強(qiáng)度測(cè)試值

表5測(cè)試結(jié)果表明，7mm GF／VE復(fù)合材料板的 電氣強(qiáng)度均值為8．6kV／mm。

2．5  10mm GF／VE復(fù)合材料板垂直層向電氣強(qiáng)度

將14層雙軸向縫編織物放入專用RTM平板模 具中，合模，然后以VARTM方式注射；按要求固化 處理后得到試體板，并按試樣規(guī)格2加工試樣，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 VARTM成型10ram GF／VE復(fù)合材料板

電氣強(qiáng)度測(cè)試值

表6測(cè)試結(jié)果表明，10mm GF／VE復(fù)合材料板 的電氣強(qiáng)度均值為7.1kV／mm。

將2mm、5ram、7mm、10mm GF／VE復(fù)合材料板 的垂直層向電氣強(qiáng)度均值作為縱坐標(biāo)，復(fù)合材料板 厚度值作為橫坐標(biāo)，得到復(fù)合材料厚度與電氣強(qiáng)度 的關(guān)系，如圖1所。

2．6  GF／VE增強(qiáng)材料復(fù)合材料板平行層向電氣強(qiáng)度

將2.5中的10mm板按試樣規(guī)格3加工成試樣 8-1~8-3，進(jìn)行平行層向電氣強(qiáng)度測(cè)試。

為評(píng)價(jià)多種增強(qiáng)材料復(fù)合層板平行纖維布層方向的電氣性能，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了4層斜紋布／11層 雙軸向縫編織物／4層斜紋布的10mm厚復(fù)合材料層 板，按試樣規(guī)格3加工成試樣9-1～9-5，對(duì)比進(jìn)行平行纖維布層方向電氣強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 VARTM成型多種增強(qiáng)材料復(fù)合材料厚板電氣強(qiáng)度

表7測(cè)試結(jié)果表明，8-2試樣擊穿部位在試樣中 部，未形成電壓方向(試樣高度為25mm)的貫穿性 擊穿，8-1、8-3在施加電壓397s、429s后仍未擊穿，表 明在電壓施加方向厚度為25mm的情況下，即其平行纖維布層方向的電氣強(qiáng)度可能達(dá)到4.8kV／mm以 上，只是由于設(shè)備測(cè)試能力受限，未能測(cè)出擊穿強(qiáng)度值。結(jié)合垂直層向復(fù)合材料厚度與電氣強(qiáng)度的對(duì)數(shù) 關(guān)系，我們認(rèn)為雙軸向縫編織物在浸潤(rùn)良好、層間無(wú)缺陷的情況下，其平行布層方向與垂直布層方向的 電氣強(qiáng)度可能無(wú)明顯差別。

從表7測(cè)試結(jié)果可以看出，多種增強(qiáng)材料復(fù)合 材料板加工的試樣9-1~9-5的平行層向電氣強(qiáng)度均 值為2.92kV／mm，全部在斜紋布與雙軸向縫編織物的層間擊穿，明顯低于只有雙軸向縫編織物的8-1～8-3試樣的平行纖維布層方向電氣強(qiáng)度，分析認(rèn)為應(yīng) 是由于斜紋布與縫編織物貼附較緊，界面結(jié)合處樹(shù) 脂含量較低、孔隙率較高所致，而縫編織物層間有較明顯的富樹(shù)脂層，未形成明顯的電氣薄弱通道。

3結(jié)論

(1)對(duì)2mm厚度的樹(shù)脂澆注體及GF／VE復(fù)合 材料，其快速升壓的電氣強(qiáng)度均明顯高于逐級(jí)升壓 的電氣強(qiáng)度，其中樹(shù)脂澆注體高35％，GF／VE復(fù)合 材料高38％；

(2)樹(shù)脂中色漿涂加量在4％以下時(shí)，對(duì)復(fù)合材 料電氣強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響；

(3)GF／VE復(fù)合材料層板垂直纖維布層方向的 擊穿電壓隨著厚度的增加而逐漸升高，但其電氣強(qiáng) 度卻隨著厚度的增加逐漸下降，其復(fù)合材料厚度x與電氣強(qiáng)度y的對(duì)數(shù)關(guān)系為y=-4.01ln(x)+16.22;

(4)單一縫編織物復(fù)合材料層板平行層向電氣 強(qiáng)度明顯優(yōu)于縫編織物與斜紋布復(fù)合層板，復(fù)合層 板擊穿部位均位于兩種增強(qiáng)材料的層間。

電氣強(qiáng)度/介電強(qiáng)度測(cè)試儀售后服務(wù)承諾：

一、運(yùn)輸：合同簽訂后負(fù)責(zé)試驗(yàn)機(jī)安全運(yùn)輸?shù)劫I(mǎi)方要求地點(diǎn)。

二、驗(yàn)收：試驗(yàn)機(jī)按訂貨實(shí)際要求進(jìn)行驗(yàn)收。最終驗(yàn)收在買(mǎi)方進(jìn)行，對(duì)用戶提供的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，并提供測(cè)試報(bào)告。

三、培訓(xùn)：無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)設(shè)備，用戶可按照說(shuō)明書(shū)操作或我司安排一名專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行電話或視頻教機(jī)。如需培訓(xùn)設(shè)備，我司安排一名技術(shù)人員在用戶現(xiàn)場(chǎng)一次性免費(fèi)培訓(xùn)操作人員2-3名，該操作人員應(yīng)是由需方選派的長(zhǎng)期穩(wěn)定的員工，培訓(xùn)后能夠?qū)υO(shè)備基本原理、軟件使用、操作、維護(hù)事項(xiàng)理解和應(yīng)用，使人員能夠獨(dú)立操作設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)、分析，同時(shí)能進(jìn)行基本的維護(hù)。

四、軟件升級(jí)：終生免費(fèi)提供新版本控制軟件。

五、保修：

1、設(shè)備保修三年，終身服務(wù)，三年內(nèi)非人為損壞的零部件免費(fèi)更換，保修期內(nèi)接到用戶邀請(qǐng)后， 最遲響應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)內(nèi)，在與用戶確認(rèn)故障后，我公司會(huì)在48小時(shí)內(nèi)派工程師到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行免費(fèi)服務(wù)，盡快查清故障所在位置和故障原因，并向用戶及時(shí)報(bào)告故障的原因和排除辦法 。

2、保修期內(nèi)人為損壞的零部件按采購(gòu)（加工）價(jià)格收費(fèi)更換。

3、保修期外繼續(xù)為用戶提供優(yōu)質(zhì)技術(shù)服務(wù)，在接到用戶維修邀請(qǐng)后3天內(nèi)派工程師到達(dá)用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修。并享有優(yōu)惠購(gòu)買(mǎi)零配件的待遇。