收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高导热EP/SrTiO_3复合材料的绝缘及分解特性研究

文豪  
【摘要】:环氧树脂作为常用的绝缘材料广泛用于制备各种电气设备绝缘部件。随着电气设备朝着大功率、高能效、高电压、小型化方向发展,对绝缘材料的电气性能及导热性能提出了更高的要求。填充型环氧树脂纳米复合材料制备方法简单,设计性较强,可以根据电气设备的绝缘等级改变聚合物基体和填充材料的各种物理参数以满足工程需求,是解决绝缘材料绝缘问题和导热问题的有效手段。然而,大多数填充型纳米复合材料无法同时满足高绝缘强度和高导热性能。为此,本文选用SrTiO_3纳米颗粒为填充材料,制备出填充型高导热环氧树脂复合材料,其具备较高导热性能的同时并未降低环氧树脂的绝缘强度。采用多种测试手段对纳米颗粒及复合材料进行了结构及形貌表征,测试了EP/SrTiO_3复合材料的导热率、介电常数、击穿场强等多种物理参数;搭建实验平台,研究了复合材料的沿面放电特性,展开了对复合材料导热性能和绝缘性能增强的机理探讨。同时,研究了空气及SF_6气体中热老化对EP/SrTiO_3复合材料电气特性的影响。本文利用分子动力学仿真方法模拟计算了不同填充比例的EP/SrTiO_3复合模型的力学、热学多种物理参量,并与实验制备的复合材料作对比;计算了SrTiO_3纳米颗粒与环氧树脂分子间的界面相互作用能,从链段运动能力及偶极子自相关函数角度出发深入解释了复合材料热力学性能增强机理。环氧树脂在高温下的热分解或沿面放电下的分解是影响SF_6分解组分浓度变化的主要因素之一。为此,本文采用同步热分析仪与气相色谱质谱仪相结合的方法,测试了过热状态下环氧树脂在SF_6气体中的分解组分浓度,与纯SF_6的过热分解作对比,研究了产气浓度的温度依赖性,制定出基于分解组分浓度变化来判断电气设备中是否存在涉及环氧树脂绝缘材料过热分解故障的方法;搭建实验平台测试了SF_6气体中环氧树脂沿面放电后的分解组分的浓度,总结产气规律,提出判断电气设备中是否存在环氧树脂沿面放电故障的基本方法。首先,基于SrTiO_3纳米颗粒较高的导热率、优良的热稳定性及适当的介电常数值选用其作为填料,利用硅烷偶联剂对纳米颗粒进行表面修饰,采用熔融共混法制备了EP/SrTiO_3纳米复合材料。采用SEM、IR、TEM、XRD等测试手段对纳米颗粒及复合材料进行结构及形貌表征,证明了硅烷偶联剂包覆在纳米颗粒表面,纳米颗粒在复合材料中分布均匀,没有孔洞、间隙及裂痕等缺陷。采用热流法测试了复合材料的导热率,发现复合材料的导热率随着填充颗粒的增加而升高,并采用逾渗理论计算了理论值,与测量值保持较高的一致。分析了复合材料的热稳定性,发现复合材料的热稳定性随着填充材料的增加而增强,当填充量较高时,热稳定性有达到饱和的趋势。复合材料的介电常数随着纳米颗粒填充量的增加及温度的升高而上升,介电损耗保持在较低的范围内,复合材料的击穿场强也有小幅度的上升。Lichtenecker对数混合方程解释了复合材料介电常数理论值与测试值存在差别的原因。结合红外热像仪,采用高压脉冲电源测试了复合材料沿面放电特性,发现复合材料具有较高的沿面击穿电压,且击穿后表面温度扩散速率较快。与EP/BaTiO_3复合材料对比,发现EP/SrTiO_3复合材料的导热性和电气特性优于同等条件下的EP/BaTiO_3复合材料。在90°C老化500 h后,EP/SrTiO_3纳米复合材料仍保持较高的击穿强度和沿面闪络电压,证明SrTiO3纳米颗粒填充后的复合材料可以承受90°C下的长期工作。其次,为了更好的解释复合材料导热特性与绝缘特性增强的机理,采用分子动力学对SrTiO_3填料填充后的复合模型进行模拟仿真,结合WLF方程证明了复合材料的玻璃化转变温度的仿真值与实验测量值的差别保持在合理的范围内。复合模型的链段运动能力及偶极子自相关函数随着填充量的增加而显著下降,但在填充量较高时,复合模型的热稳定性受温度的影响较大。构建了EP/SrTiO_3界面模型,计算得出其界面相互作用能较高。对纯环氧树脂的介电常数,位阻参数,体积电阻率等参数进行了无限循环周期下的预测,发现理论值与测量值保持高度的一致。最后,基于EP/SrTiO_3纳米复合材料优良的介电性能和导热性能,采用同步热分析与气相色谱质谱仪联用的方法探索了复合材料在SF_6气体中的分解特性。与纯环氧树脂对比,分析了分解组分浓度变化及产气规律,建立了以分解组分浓度变化来判断电气设备中是否存在涉及环氧树脂固体绝缘材料热分解故障的评估方法,即当CO_2浓度达到SO_2和H_2S的浓度和的5倍,H_2S的浓度高于0.5 ppm时,电气设备中已经发生了涉及环氧树脂绝缘材料的过热分解故障。并对灰烬及老化后样品进行了XPS及EDS分析验证了残留物氟元素及硫元素的存在。分析了SF_6分解组分含量与环氧树脂沿面放电次数之间的关系,各气体生成速率由大往小排列如下:SOF_2CF_4SO_2CO_2CS_2H_2SSO_2F_2;再次验证了环氧树脂的存在会给SF_6分解组分浓度造成较大影响,提出了判断电气设备中是否发生环氧树脂沿面放电故障的基本方法:即SOF_2的浓度大于CF_4的2倍,且SOF_2与CF_4的浓度之和远大于H_2S的浓度时,可以基本判定电气设备中发生了涉及环氧树脂沿面放电的故障。与加热环氧树脂的实验做对比,分析了SF_6各分解组分浓度存在差异的原因。


知网文化
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978