电工绝缘领域用耐电晕聚酰亚胺薄膜

作者:6up  来源:6upPokerStars  时间:2020-04-11 16:57  点击:

  随着电力装备制造业的快速发展以及新型电子技术在电工设备中应用,电气绝缘材料的工作环境更加复杂。尽管聚酰亚胺薄膜是H 级绝缘材料,但其在变频条件下极易发生电晕老化。在变频电机的高频脉冲电压作用下,电机绕组匝间绝缘层产生强烈局部放电,所形成的空间电荷在绝缘介质内部逐渐贯穿。在微观上表现为:带电粒子碰撞、局部高温、聚合物分子链热降解等现象。电晕放电造成聚酰亚胺薄膜材料表面变白、变脆,发生粗化,出现凹坑,电晕放电集中于这些凹坑并通过树枝化老化向材料内部发展,直至将材料击穿。电晕老化是变频电机绝缘材料的主要老化形式,对电工装备的可靠运行构成威胁。目前变频电机的主要应用领域为轨道交通所用变频牵引电机、风力发电机、冶金和矿用变频电机以及空调、冰箱等家用电器。

  20 世纪90 年代以来,国际上针对变频调速电机发生电晕老化的现象进行了大量研究,已有研究表明,在

  中添加无机纳米材料是提高耐电晕性能的重要途径。在聚酰亚胺中加入10~200 nm 的金属或非金属氧化物纳米颗粒,如Al2O3、TiO2、ZrO2等,可以显著提高聚酰亚胺薄膜的耐电晕性能。1997 年,美国DuPont公司开发出耐电晕聚酰亚胺薄膜Kapton CR,实现了在欧洲高速列车上的广泛应用。Kapton CR 的耐电晕性能比Kapton HN 提高了500 倍以上,作为列车牵引电机的匝间绝缘和对地绝缘,可以提高牵引电机的功率和服役时间。在薄膜结构上,Kapton CR 薄膜采用三层复合膜结构,中间层为普通聚酰亚胺薄膜,上、下两层为纳米Al2O3 杂化的聚酰亚胺薄膜。该三层复合膜结构不仅赋予薄膜很好的耐电晕性能,也使薄膜拥有足够的机械性能。美国Phelps 公司所生产的耐电晕漆包线也采用三层漆膜结构,其中间层采用纳米TiO2 杂化的聚酰亚胺薄膜,这种复合薄膜使耐电晕性能提高100 倍以上。

  目前,我国高铁牵引电机所用的耐电晕聚酰亚胺薄膜,几乎全部来自杜邦Kapton CR。2017 年,耐电晕聚酰亚胺薄膜进入工信部《重点新材料首批次应用示范指导目录》。国内已有几家企业尝试生产耐电晕聚酰亚胺薄膜。但在薄膜结构和生产设备方面,与杜邦公司明显不同。国内企业所生产的耐电晕聚酰亚胺薄膜均采用单层薄膜结构,其综合性能与杜邦产品仍有相当差距。无机纳米掺杂能够大幅提高聚合物电介质的耐电晕老化性能,已经得到很多实验证实。自Kapton CR 薄膜进入市场以来,通过纳米杂化改性提高聚酰亚胺耐电晕性能一直是国内外绝缘材料的研究热点。国内外耐电晕机理研究表明,纳米Al2O3 等无机纳米粒子提升聚酰亚胺耐电晕性能的机制主要来自于三个方面:1) 表面聚合物被电晕降解后,裸露的无机纳米粒子在表面形成耐电晕保护层;2)无机纳米粒子的电导率高于聚酰亚胺基体,从而能够疏导聚集在聚酰亚胺材料的空间电荷,减少局部放电次数与放电量;3)纳米粒子具有较高的热导率,有利于热量分散,降低电晕放电所形成的热击穿。但是,目前纳米复合电解质理论仍然难以指导具体的材料设计。

  例如,不同纳米粒子对聚酰亚胺耐电晕性能改善的差异性不是很确切;纳米粒子与聚合物基体间的界面状况,纳米粒子的分散状况与耐电晕性能的关系依然不够清晰。特别是,对于具有三层膜结构的Kapton CR 的耐电晕机制分析,在学术上仍存在较大分歧。在技术层面,如何使纳米填料均匀分散于聚酰胺酸溶液中,同时在流涎、凝胶化、双向拉伸以及亚胺化过程中保持合理的分散状态,以及是否必须采用三层膜结构才能达到满意的耐电晕性能,这些问题是国内企业生产耐电晕薄膜的重要技术难题。这些难题的突破必然要求国内企业在材料结构设计、生产技术和关键设备等多方面的综合创新。例如,可否通过特殊的材料结构设计实现纳米填料的高效分散,而不必依赖特别的分散设备和三层复合膜制造设备。

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