极性分子的结构异同性对接枝改性交联聚乙烯材料直流电性能的影响

为改善高压直流电缆运行过程中绝缘层材料的电导率对温度与电场强度敏感性所导致的电场反转问题,以及直流高压长时间作用下的空间电荷积聚现象,该文采用极性基团接枝改性的方式提升交联聚乙烯(XLPE)材料的直流电性能。由于接枝单体一般为沸点较低的极性小分子化合物,为避免材料在接枝过程中单体的气化损失,首先通过平行双螺杆挤出机配合低温高压计量泵装置实现熔融接枝反应。将丙烯酸酯类小分子化合物(丙烯酸甲酯(MA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA))分别预先接枝到低密度聚乙烯(LDPE)大分子链上制备接枝材料,通过红外光谱测试分析得出接枝单体皆成功接枝到LDPE大分子链上,熔融指数与凝胶含量测定表明材料的流变性能并未发生显著改变,X射线衍射测试与扫描电子显微镜观测发现接枝改性材料的结晶特性保持与基础树脂相似。进一步对三种接枝母料按一定比例稀释并完成交联过程,通过变温直流电导测试发现三种接枝改性材料的电导率-温度敏感性均出现不同程度的下降,综合高温空间电荷测试可以得出,接枝MA的XLPE材料电导率-温度敏感性下降幅度最大、空间电荷分布特性优异;结合第一性原理仿真计算可以进一步得到,三种接枝单体改性XLPE模型的陷阱能级较为一致,其直流电性能的改善效果与接枝单体的静电势分布存在显著关联。

双重动态交联vitrimer树脂中电树枝劣化及局部放电与降解回收特性

构建动态可逆交联网络是实现树脂类电工材料环保化的重要手段。该文基于动态交换反应理论,在传统环氧/酸酐树脂体系中引入酯交换促进剂三乙醇胺和动态二硫键,制备具有双重动态交联的类玻璃化环氧树脂(vitrimer),并采用针板电极模型研究不同二硫键含量下该树脂体系的电树枝引发与生长及局部放电特性,利用分形维数定量描述不同树脂体系中电树枝形态特征,利用表面电位衰减测试和交联结构的量子化学计算分析不同二硫键含量的vitrimer陷阱特性和电子轨道分布特征。结果表明:随着树脂体系中二硫键的增多,树脂陷阱能级提高,电子轨道能级减小,树脂电树引发电压略有降低,电树生长速度加快且电树形态分形维数降低。最后,通过模拟绕组浇注器件降解回收实验研究树脂动态交换与降解特性。研究发现,双重动态交联网络赋予树脂优异的动态特性,实现内部高价值材料的高效无损回收,可为电工材料的环保化及退役设备的回收处理提供新的思路和选择。

高压电缆缓冲层烧蚀缺陷超声检测实验

高压电缆缓冲层烧蚀故障是近年来频发的电缆故障类型,而目前的烧蚀缺陷检测手段难以满足存量电缆的检测需求。为此,文中首次研究基于铝护套内表面粗糙度的高压电缆缓冲层烧蚀缺陷的超声检测方法。首先,开展潮湿条件下的缓冲层烧蚀模拟实验,并对烧蚀后的铝片进行激光共聚焦显微镜测试以及电化学阻抗谱分析,发现随着烧蚀时间的增加,铝片的表面粗糙度逐渐增大,同时铝片表面的腐蚀程度逐渐加深,对应的缓冲层烧蚀缺陷逐渐加重,表明铝片的表面粗糙度与潮湿条件下缓冲层的烧蚀程度存在关联。其次,对烧蚀后的铝片开展超声检测实验,并通过相邻超声回波信号的幅值比推算出铝片腐蚀面的粗糙度,与实验测得的粗糙度具有相同的变化趋势。文中结果表明超声检测可用于检测缓冲层烧蚀缺陷的严重程度,为高压电缆缓冲层烧蚀缺陷超声检测方法的应用奠定了研究基础。

环氧树脂醇解回收再制备固化动力学研究

针对利用环氧树脂醇解产物制备新树脂固化工艺缺乏分析的问题,首先运用非等温差示扫描量热法,研究了醇解产物含量对再制备树脂固化行为的影响。随后通过固化动力学模型,确定了再制备树脂的固化条件,并以此制备得到新树脂,测量了其介电性能。结果表明:当醇解产物替代双酚A二缩水甘油醚质量分数为25%时,再制备树脂的预固化温度小于120℃,后固化温度为160.57℃,这是因为,醇解产物中的羟基可促进环氧基的开环反应,使得再制备树脂的固化温度随醇解产物含量增加而降低;再制备树脂符合自催化双参数固化动力学模型,总反应级数大于1,且固化过程中的表观活化能Ea是固化程度α的函数,基于Ea(α)函数得到试样实际固化程度接近理论值;与原始环氧树脂相比,再制备树脂的相对介电常数、介质损耗和击穿电场强度有所增加,其介电性能满足电工用环氧树脂使用要求。该研究内容为醇解回收再制备环氧树脂的固化工艺提供了经验和指导。

电动汽车功率电子封装用耐高温环氧塑封料的研究进展

本文综述了近年来国内外关于耐高温环氧塑封料(EMC)的基础研究与应用进展,从先进功率电子器件发展对塑封材料的性能需求、传统EMC的高温降解机理、EMC结构与耐热稳定性的关系以及提高EMC耐热稳定性的改性途径等方面进行了阐述。重点综述了多芳环(MAR)型以及含萘型EMC的发展状况。最后对功率电子封装用耐高温EMC未来的发展趋势进行了展望。

环氧树脂高频松弛的交流电导与双极性方波击穿特性

高频非正弦电压下环氧树脂击穿表现出较强的频率依赖性,并且存在复杂的宽频电-热耦合特性。高频电压下环氧树脂交流电导,特别是载流子非线性输运过程是理解高频绝缘击穿的关键。该文以两种电工环氧树脂为研究对象,采用宽频介电谱研究环氧试样交流电导的频率与温度依赖关系,通过Almond-West模型分析得到低频下交流类直流电导率与温度的关系,低频电导随温度变化更符合Vogel-Fulcher-Tammann模型。基于Havriliak-Negami复合介质多分散松弛极化理论,分析高频、高温下的松弛行为,认为高频交流电导率主要由松弛过程α产生的极化损耗引起。通过高频双极性方波击穿测试平台,测试了重复频率双极性方波电压(500 Hz,1 kHz,2 kHz,3 kHz)下环氧试样的击穿场强,基于三参数Weibull分布统计分析特征击穿场强随频率的关系,发现击穿场强与频率呈负相关。研究提出考虑Poole-Frenkel效应的高频高场交流电导模型,并建立高频自由体积随频率变化的击穿模型。研究指出高频下分子链段振动效应增强,导致交流电导增强;高频下分子链运动滞后于频率响应,导致总体自由体积增大,造成高频击穿场强下降。研究结果对高频绝缘破坏与可靠性研究具有重要意义。

PCB基板用高耐热双环戊二烯环氧树脂的合成及性能

本文以双环戊二烯、邻烯丙基苯酚、环氧氯丙烷为原料,合成了高耐热的邻烯丙基苯酚-双环戊二烯环氧树脂,采用红外光谱、凝胶色谱对其结构进行表征;分别采用双酚A酚醛树脂、苯并噁嗪树脂及活性酯对环氧树脂进行固化,压制了PCB基板,采用差示扫描量热及热失重分析对体系的固化行为进行研究,测试了板材的力学性能、介电性能及吸水性能,并将其与苯酚-双环戊二烯环氧树脂的固化体系进行了对比。结果表明:邻烯丙基苯酚-双环戊二烯环氧树脂较苯酚-双环戊二烯环氧树脂具有更高的耐热性(玻璃化转变温度Tg和5%热失重温度Td5%较高)、弯曲强度、冲击强度、高温弯曲强度保持率以及更优的介电性能和更低的吸水率。

机械应力影响环氧树脂绝缘电树枝劣化研究进展

环氧树脂凭借其优异的电气绝缘、耐热与机械性能以及良好的可塑性,被广泛应用于支撑绝缘子、绝缘拉杆等电气设备绝缘部件。随着电气设备电压等级的提高,环氧树脂绝缘部件运行工况日趋严苛,机械应力带来的绝缘失效问题更为突出。根据国内外参考文献,文中综述了机械应力下环氧树脂电树枝劣化引发绝缘击穿现象的研究进展。根据环氧树脂承受应力的不同,介绍了拉伸、压缩应力下电树枝生长的形貌特征,总结了温度工况下机械应力对电树枝生长的影响规律。基于环氧树脂分子链的物理微观结构与电荷输运特性,从能量角度探讨了绝缘材料在机械应力下的电树枝劣化机理。阐述了电气设备环氧绝缘部件的电树枝研究的关键问题与解决思路,为开发高绝缘性能的环氧树脂绝缘材料提供了参考。

温度对环氧树脂沿面闪络特性的影响研究

特高压穿墙套管的绝缘问题是特高压输电技术研究的重点,在实际的工况中,由于内部及外部环境的影响,穿墙套管时常处于室温以上的环境温度中,导致绝缘性能受到一定程度的影响。为了研究交流和直流电压下环氧树脂闪络电压随温度的变化规律以及温度的影响机制,搭建了环氧树脂沿面闪络试验平台,测量在恒定气压的SF_(6)氛围中,环氧树脂在不同温度下的闪络电压,仿真分析了闪络电压的变化原因。结果表明:在25~70℃范围内,随着温度升高,环氧树脂的闪络电压出现先小幅下降后上升的现象,存在闪络电压的最小值。该现象是由气—固界面电场分布、SF_(6)气体临界场强和环氧树脂表面陷阱能级的共同作用导致。研究成果可以为特高压直流穿墙套管绝缘优化配置提供实验依据。

不同温度及厚度下非交联聚乙烯电缆绝缘材料工频交流击穿表现

热塑性聚乙烯基电缆绝缘材料具有优于交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)的电气和机械性能,有望成为新一代绿色环保的电缆绝缘材料。在电缆结构设计中,保守的安全绝缘厚度使得电缆的生产成本增加,降低绝缘层的击穿电场强度;并且在电缆实际运行过程中,绝缘材料往往工作在70~90℃高温环境下;因此针对新型绝缘材料,温度及厚度对其击穿电场强度的影响研究具有工程实际意义。以线性低密度聚乙烯(linear low density polyethylene,LLDPE)/高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)共混绝缘材料为研究对象,进行不同温度下(30、70、90、105℃)及不同厚度下的工频击穿实验,研究温度和厚度对其交流击穿的影响。测试结果表明:相较于XLPE绝缘材料,70L-30H(即LLDPE与HDPE在配比为7∶3的情况下熔融共混得到的绝缘材料)具有较高的工频击穿电场强度,在低于工况温度环境下,其击穿电场强度的温度稳定性较高;然而70L-30H的工频击穿电场强度受厚度影响程度略高,但在相同厚度下其击穿电场强度仍明显高于XLPE。上述研究可为热塑性聚乙烯基电缆绝缘材料研发提供参考。

分子动力学模拟在电缆绝缘护套材料损伤与修复机理研究的应用

电缆绝缘护套在敷设、使用过程中受到机械损应力或者热应力等因素的影响会产生微裂纹损伤,如不及时修复,容易导致其机械与绝缘性能快速下降,使材料性能失效,甚至引发线路故障。基于分子动力学理论揭示电缆绝缘护套材料损伤的机理,通过分子动力学模拟计算得到护套材料在损伤自由体积与内聚能变化规律,并分析损伤对材料绝缘性能的影响以及微裂纹产生的机理。针对常规的聚乙烯等电缆护套材料不具备自修复性能的问题,研发电缆护套自修复材料,在材料中引入解离结合可逆的自修复功能基团,当材料损伤时,通过功能基团重新结合达到修复的目的。应用分子动力学对新材料进行模拟计算的结果表明,通过自修复后材料的自由体积降低,内聚能密度提高23%,溶解度参数提高10.9%,证明了新材料自修复的有效性。

聚丙烯/热塑性弹性体复合绝缘材料介电性能

聚丙烯(PP)具有高温热稳定、工作温度高和电气绝缘强等优势,还可实现回收再利用,有望成为未来电缆绝缘的替代材料,但PP的机械性能还需通过增韧改性以满足电缆敷设的需求。对此,主要研究以热塑性弹性体苯乙烯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)与PP进行共混,制备了不同组分配比的PP/SEBS复合材料,进行红外光谱、差式扫描、电阻率、击穿电场强度、介电谱和结构表征测试。测试结果表明,随着SEBS含量的增加,结晶度、直流体积电阻率和直流击穿电场强度均下降,介质损耗因子上升;形貌观察表明,随着SEBS含量的增加,SEBS在PP中的分散性变差,球晶边界也逐渐模糊,与结晶度下降现象一致。综合来说,PP与SEBS质量之比为60∶40的PP/SEBS具有较高的直流体积电阻率和直流击穿电场强度,质量之比为70∶30的PP/SEBS具有较低的介质损耗因子,可用于指导未来PP电缆绝缘材料的配比优化。

不同分子量的苯氧树脂在覆铜板中的应用研究

酚氧树脂(phenoxy resin),又称苯氧树脂。由于特殊的结构,不含环氧基团,即使交联固化反应也可以保持线性结构,因而广泛用作覆铜板的增韧改性。论文研究了不同分子量的苯氧树脂在FR4中的应用,结果表明不同分子量的苯氧树脂除了增韧以外,还会对流变性能、耐热性、抗翘曲能力都有不同的影响。

改善高填充体系覆铜板沟壑及除胶性能的应用研究

高填充体系覆铜板由于填料含量高,存在填料与树脂流动性不匹配,流动性差、沟壑的通性问题。本文研究了双环戊二烯苯酚环氧树脂在高填充体系(填料含量>40%)环氧玻纤布覆铜板中的应用,探究不同环氧当量的DCPD(双环戊二烯)苯酚环氧对板材性能的影响。研究结果表明,采用DCPD苯酚环氧搭配无卤低介电固化剂,并加入40%的填料制成的覆铜板,其T_(g)>160℃,T_(d)在400℃以上,阻燃满足UL 94 V-0级要求,随着环氧当量的升高,板材除胶性能和流动性提升,可有效改善沟壑情况,并具有优异的耐热性和介电性能。

基于动态双硫键的本征自修复环氧绝缘材料性能研究

传统环氧树脂的三维交联结构赋予了其良好的理化特性和绝缘性能,但也因此不可自我修复、难以回收再利用,一旦内部出现损伤,往往意味着绝缘性能劣化甚至完全丧失。为了使环氧绝缘材料具备自我修复能力,延长其使用寿命,该文制备了一种含双硫键的环氧基体-4,4’-双(环氧丙氧基)二苯二硫醚,并分别通过环氧基体和固化剂引入自修复所需双硫键,获得自修复环氧绝缘材料。为了探究不同原料配比、不同双硫键含量对环氧树脂力学性能、电气性能及自修复性能的影响,采用红外光谱仪、动态热机械分析仪及宽频介电仪等手段对材料进行了表征与分析。结果表明,在环氧基体中引入双硫键对材料基本特性的影响比固化剂更大,适量引入双硫键可在保证环氧绝缘材料原始特性基本不变的情况下,使其具备一定的自修复能力。

短时高热对共混聚丙烯电缆绝缘微观结构及电气性能的影响

在“双碳”背景的推动下,聚丙烯(polypropylene,PP)/弹性体共混物(以下简称“共混PP”)被视作极具应用潜力的可回收型电缆主绝缘材料。以共混PP电缆绝缘层切片作为研究对象,模拟电缆故障时绝缘层的短时高热现象,研究短时高热对共混PP绝缘微观结构与电气性能的影响。首先,从电缆绝缘层提取试样并对其进行短时高热处理;其次,对比短时高热处理前后绝缘试样的理化性能和电气性能;最后,讨论短时高热处理过程中共混PP电缆绝缘内部微观结构变化,并分析绝缘微观结构的变化对其电气性能的影响机理。研究结果表明:电缆绝缘在经历短时高热处理后,绝缘相连续性变差,弹性体相面积减小,两相间的界面增多;试样内部分子链断裂,结晶度下降2.42%;工频下,试样介电常数上升0.04,介质损耗上升0.00104;试样内部深陷阱数量增多,击穿电场强度下降1.4%。

家用电线绝缘过热气体衍生物检测与流场影响研究

为利用气体衍生物关键参数快速检出电线绝缘材料过热缺陷,本文通过试验获得电线绝缘材料过热逸出气体衍生物浓度与绝缘材料温度关系曲线;建立热电耦合仿真模型模拟电线参数、电线敷设方式和环境温度对电线绝缘温度的影响;建立热流耦合仿真模型模拟过热缺陷位置、穿线管水平长度和气体类别对逸出气体衍生物流体场中传感器响应时间的影响,并通过正交试验确定影响程度的权重。结果表明:绝缘材料PVC过热缺陷逸出气体主要为CH_(4)、C_(2)H_(2)、CO;电线参数的选型对绝缘材料温度影响最大;检测气体种类对传感器响应时间的影响最大。

基于亚胺键的环保型环氧树脂的制备与再生

为改善环氧树脂电气设备粉碎、填埋等不环保的处理方式的现状,以生物基香草醛与环氧氯丙烷合成单环氧化物,并与二胺固化剂固化原位形成亚胺键结构,得到生物基环保环氧绝缘材料。该生物基环保环氧树脂在0.3 mol/50 mL盐酸混合溶剂(甲醇与水的体积比为6∶4,80℃)时降解速度最快,在40 min内能完全降解。由0.5 mm粉碎颗粒在140℃、5 MPa压力下再生的环氧树脂玻璃化转变温度为114.86℃,击穿电场强度为44.08 kV/mm,性能保持率达到95%,并且可以在在弱酸环境中完全降解。退役后的环氧树脂粉碎为细小颗粒后,在高温高压的环境下能再生且性能良好。

工频电压下110kV XLPE电缆电树枝生长及局放特性

基于实时显微数字摄像技术和局部放电连续测量相结合的方法,采用典型针-板电极结构,研究了不同外施工频电压下110kV级XLPE电缆绝缘中的电树枝结构特征、生长规律及其局部放电特性。实验结果表明,外施电压有效值9kV下电树枝呈现出多样性的特点,为滞长型、枝状和枝-松枝状,滞长型电树引发和生长时间最长,滞长阶段局部放电腐蚀作用明显;枝状和枝-松枝状电树引发时间相当,枝状电树生长时间短,滞长阶段局部放电稳定;枝-松枝状电树滞长阶段局部放电减弱,同时松枝状结构出现并快速生长。外施电压有效值11、13和15kV下的电树枝分别呈枝状和丛状,其中枝状电树引发时间长,生长时间最短,局部放电对树枝生长作用明显;丛状电树引发时间短,利用盒计数法计算电树枝分形维数,根据放电雪崩模型理论,研究发现随着外施电压的升高,树枝丛状区域更加密集,电树枝的分形维数增加,对材料的破坏区域扩大,局部放电作用消弱,电树枝生长时间延长。

表层氟化环氧纳米复合材料表面的电荷动态特性

环氧树脂绝缘表面积聚的大量电荷是导致表面闪络的重要因素。在环氧树脂中掺杂TiO2无机纳米颗粒之后,可以增强其力学性能和抗电痕破坏性能,但对其表面电荷动态过程研究较少。同时,表层氟化可以保持原有有机聚合物的优良性能之外,还可使聚合物的本证缺陷得到改善。为此,制备了纯环氧试样以及含纳米TiO2质量分数分别为2%、4%、6%、8%的纳米复合试样,并对试样进行不同时间(0、30、60、90、120 min)的氟化处理,研究其在直流电场下纳米TiO2质量分数与氟化时间对表面电荷的积累与消散特性的综合影响。研究表明:纳米TiO2颗粒会减缓环氧树脂表面电荷消散的速度,6%纳米复合试样电荷消散最慢;表层氟化处理可以加速电荷消散速度,所以可以通过表层氟化处理来弥补纳米颗粒加入后对环氧树脂绝缘性能所带来的不利影响。