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耐電暈復合絕緣材料的研究
本文介紹了利用原位聚合法制備了納米TiO2/聚酰胺酰亞胺復合絕緣漆，與聚酯亞胺底漆和聚酰胺酰亞胺面漆配合，涂制成三層結(jié)構(gòu)的復合絕緣材料。試驗結(jié)果表明，這種復合絕緣材料具有高絕緣性能、柔韌性好、耐電暈性能高等特點，應用在交流變頻電機中，可使高壓脈沖下的局部放電、介質(zhì)發(fā)熱和空間電荷積聚等得到明顯緩解，大大提高了交流變頻電機的絕緣壽命。
關(guān)鍵詞：納米TiO2；聚酰胺酰亞胺樹脂；復合材料；耐電暈
1、前言
隨著我國電機工業(yè)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了愈來愈精密和高性能的電機、電器元件，電機、電器制造等技術(shù)和產(chǎn)品。其中采用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）技術(shù)的PWM（Pulse Width Modulation）型變頻器以其良好的輸出波形、優(yōu)異的性價比在交流變頻電機上得到了廣泛的應用。但采用這種技術(shù)的變頻器提供的脈沖波，有著高聳的尖峰（高電壓峰值）波峰和陡峭的上升時間，加上可變化的或*的頻率（zui高達到20KHz），從而對漆包線絕緣體系產(chǎn)生極大的破壞，很容易發(fā)生匝間擊穿而縮短漆包線的使用壽命。研究表明，交流變頻電機中絕緣結(jié)構(gòu)的過早失效是導致電機損壞的根本原因［1-3］。變頻電機的電壓輸出是具有極快上升沿和極快下降沿的脈沖，一般在10～100ns，電壓上升率dU/dt 達6600V/μs，遠大于工頻正弦的0.15V/μs，所產(chǎn)生的交變尖峰電壓，在運行中將導致電機絕緣層發(fā)生局部放電，逐漸腐蝕絕緣層；另外，變頻電源中含有較大的諧波電壓分量，這些諧波電壓產(chǎn)生的附加損耗轉(zhuǎn)化為熱能，也大大加速了電機絕緣的老化［4］。在高耐熱性能的絕緣材料中均勻分散一些納米無機物，如TiO2、Al2O3 和ZnO，應用在交流變頻電機中，可以大幅度提高絕緣材料的抗高頻脈沖尖峰電壓和耐電暈等方面性能［5-6］。
本文以納米TiO2 為無機填料，聚酰胺酰亞胺樹脂為基體，采用原位插層聚合法制備了納米TiO2/聚酰胺酰亞胺的復合絕緣漆，并按照聚酯亞胺底漆、納米無機復合絕緣漆和聚酰胺酰亞胺面漆工藝涂制三涂層的復合漆包線。在高頻脈沖電壓條件下，研究了復合漆包線的耐電暈性能和各項常規(guī)性能。
2、試驗部分
2.1 試驗原材料
二苯甲烷二異氰酸酯，煙臺萬華化工廠；偏苯*酸酐，江蘇正丹集團；N-甲基吡咯烷酮，濮陽邁奇精細化工有限公司；甲酸，德國巴斯夫公司；納米TiO2，金紅石相，德國德固薩公司，以上產(chǎn)品均為工業(yè)級。
2.2 檢測儀器
常規(guī)性能：采用GB 6109.11-1990 “200 級聚酯亞胺/聚酰胺酰亞胺復合漆包銅圓線”檢測復合漆包線的常規(guī)性能。FTIR 分析：北京第二光學儀器廠產(chǎn)WQJ-410 型傅立葉變換紅外光譜儀；耐電暈性能：上海申發(fā)檢測儀器廠產(chǎn)JMG-3 高頻脈沖耐壓試驗儀；微觀粒徑分布：荷蘭菲利浦公司CM-10 透射電子顯微鏡。
2.3 耐電暈漆包線的制備
對定量的納米TiO2 進行多次表面包裹處理后放置于三口瓶中，然后加入N-甲基吡咯烷酮和偏苯*酸酐，保溫攪拌至*溶解在60℃以下加入甲酸，攪拌均勻后加入二苯甲烷二異氰酸酯，然后升溫至中控粘度合格，得到粘度合適的均勻納米TiO2/聚酰胺酰亞胺漆包線漆。采用模具法涂線工藝，在規(guī)定的工藝參數(shù)條件下，分別涂上聚酯亞胺底漆、納米TiO2/聚酰胺酰亞胺漆包線漆、聚酰胺酰亞胺面漆，制成三涂層結(jié)構(gòu)的耐電暈復合漆包線。
3、結(jié)果與討論
3.1 紅外光譜分析
圖1 為復合絕緣漆的紅外光譜圖，在圖1 中1720/cm和1778/cm是酰亞胺五元環(huán)的zui強吸收峰和特征吸收峰，1670/cm是酰胺的羰基吸收峰，3352/cm是仲酰胺的N-H 吸收峰，這些吸收峰表明合成的樹脂為聚酰胺酰亞胺結(jié)構(gòu)。
3.4 柔韌性
衡量復合電磁線絕緣漆的特性時，柔韌性等物理機械特性也非常重要，因為它直接反映電磁線的使用水平。在制備耐電暈納米無機復合漆包線的過程中發(fā)現(xiàn)，這種漆包線漆膜的柔韌性特別不同于普通線，即使當它的漆膜達到1mm 的厚度，也不發(fā)生開裂，甚至將漆膜對折起來也不開裂，表現(xiàn)出像塑料一樣的塑性。
3.5 耐電暈性能
聚酰胺酰亞胺樹脂是目前高耐熱等級的有機絕緣材料之一，它可長期工作在200~260℃，用這樣優(yōu)良的電工絕緣材料制造的復合漆包線，其工頻擊穿電壓能夠達到10kV，而在溫度為90℃、頻率為20KHz、上升沿時間為400ns、電壓為3KV 的高頻脈沖電壓條件下的絕緣壽命2個多小時，而用納米TiO2 填充的聚酰胺酰亞胺復合漆包線，在同等條件下其絕緣壽命為80 小時。這是因為納米無機化合物引入到復合漆包線中，增加了對局部放電降解的阻力，消除了局部放電的產(chǎn)生。而這種納米無機物又是一種導電率和熱穩(wěn)定性較好的材料，它有助于擴散電荷積累并且熱傳導性較高，能迅速耗散本身的介質(zhì)發(fā)熱，有效地達到了抗高頻脈沖電壓和耐電暈性能的要求。