聚酰亞胺薄膜熱老化特性試驗(yàn)與分析*

趙延召，陳紅生，朱菲菲，梁西川

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

聚酰亞胺薄膜作為一種優(yōu)良的工程塑料類薄膜，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、電學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用在電機(jī)的電磁線繞包材料及電機(jī)的槽絕緣、匝間絕緣和主絕緣，能夠顯著提高絕緣的電氣強(qiáng)度，是電機(jī)設(shè)計(jì)制造中基礎(chǔ)絕緣材料［1］。隨著電力機(jī)車向高速、重載方向發(fā)展，對牽引電機(jī)的性能要求越來越高，更高耐熱等級(jí)的絕緣材料不斷應(yīng)用在牽引電機(jī)上。近年來隨著絕緣材料的不斷發(fā)展和更新，如聚酰亞胺薄膜、聚酰亞胺樹脂和聚二苯醚樹脂等。新型絕緣材料的應(yīng)用，極大地提高了牽引電機(jī)的輸出功率［2-3］。

近年來，隨著國產(chǎn)絕緣材料的發(fā)展和技術(shù)成熟，國產(chǎn)聚酰亞胺薄膜的制備技術(shù)已走出試驗(yàn)室，向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。正在逐漸縮小同國外廠家的差距，而聚酰亞胺薄膜的國產(chǎn)化的試驗(yàn)研究材料的替代，對于減輕電機(jī)公司的成本壓力和打破壟斷有重要意義。

1 材料試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1．1 試驗(yàn)方案

機(jī)械性能和電氣性能是聚酰亞胺薄膜的基本特性，選取進(jìn)口薄膜和國產(chǎn)薄膜1、國產(chǎn)薄膜2、國產(chǎn)薄膜3。預(yù)處理后對四種薄膜分別進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、電氣強(qiáng)度測試。通過初始性能測試后，進(jìn)行老化試驗(yàn)［4］。四種薄膜初始性能檢測值如表1。

表1 初始性能檢測值

在初始性能下，國產(chǎn)薄膜的電氣強(qiáng)度相比進(jìn)口薄膜有很大的富裕。而國產(chǎn)薄膜整體機(jī)械性能與進(jìn)口薄膜性能相比還有一定差距。拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率表征聚酰亞胺薄膜力學(xué)性能，優(yōu)良的力學(xué)性能是電機(jī)制造工藝的一個(gè)重要指標(biāo)。為了進(jìn)行比較分析和研究老化特性，對3種國產(chǎn)薄膜和進(jìn)口薄膜都投入到熱老化試驗(yàn)中。

1．2 老化處理

根據(jù)IEC60216-1規(guī)定熱老化評定中溫點(diǎn)選取280℃和高溫點(diǎn)選取300℃。表2為進(jìn)口薄膜和國產(chǎn)薄膜的老化處理［5］。

表2 熱老化處理

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在熱老化處理后對進(jìn)口薄膜和國產(chǎn)薄膜進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、和電氣強(qiáng)度測試。如圖1、2分別為不同老化時(shí)間在280℃和300℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、和電氣強(qiáng)度。

圖1 不同老化時(shí)間在280℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度

圖2 不同老化時(shí)間在300℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度

圖1 結(jié)果表明，在280℃、700 h老化溫度后，四種薄膜都有不同程度的機(jī)械劣化，拉伸強(qiáng)度都有下降。進(jìn)口薄膜在280℃、700 h老化后拉伸強(qiáng)度下降了36．3%，國產(chǎn)薄膜在700 h老化后拉伸強(qiáng)度下降都低于20%。圖2結(jié)果表明，在300℃、700 h老化溫度后，四種薄膜的拉伸強(qiáng)度都明顯下降，進(jìn)口薄膜在700 h老化后拉伸強(qiáng)度下降了62．5%，國產(chǎn)薄膜在300℃、700 h老化后拉伸強(qiáng)度下降在20%左右。分析結(jié)果表明國產(chǎn)薄膜的耐高溫機(jī)械性能性能相比較進(jìn)口薄膜要高。在長時(shí)老化后四種薄膜都有脆硬現(xiàn)象，材料基本都喪失了柔韌性。

圖3結(jié)果表明，在280℃、700 h老化溫度后，四種薄膜斷裂伸長率都普遍降低，進(jìn)口薄膜在280℃、700 h老化后斷裂伸長率下降了87．2%，國產(chǎn)薄膜1、國產(chǎn)薄膜2-橫向、國產(chǎn)薄膜2-縱向、國產(chǎn)薄膜3-橫向、國產(chǎn)薄膜3-縱向在700 h老化后斷裂伸長率分別下降了 49．8%、51．6%、11．8%、78．4%、59．8%。圖4結(jié)果表明，在300℃、700 h老化溫度后，進(jìn)口薄膜在300℃、700 h老化后斷裂伸長率下降了98．2%，國產(chǎn)薄膜1、國產(chǎn)薄膜2-橫向、國產(chǎn)薄膜2-縱向、國產(chǎn)薄膜3-橫向、國產(chǎn)薄膜3-縱向在700 h老化后斷裂伸長率分別下降了75．0%、89．1%、84．6%、93．5%、87．8%。分析表明，在280℃長時(shí)老化后四種薄膜材料結(jié)構(gòu)遭到破壞，基本上都喪失了力學(xué)特性及柔韌性。在300℃及以上溫度長時(shí)老化后四種薄膜材料已完全遭到破壞。圖5為不同老化時(shí)間在280℃時(shí)的電氣強(qiáng)度。

圖3 不同老化時(shí)間在280℃時(shí)的斷裂伸長率

圖4 不同老化時(shí)間在300℃時(shí)的斷裂伸長率

圖5 不同老化時(shí)間在280℃時(shí)的電氣強(qiáng)度

圖5、6結(jié)果表明，在280℃和300℃老化溫度后，四種薄膜擊穿場強(qiáng)并沒有明顯下降，圖中的波動(dòng)和反復(fù)可能是試驗(yàn)誤差所致。因此總體而言，對于聚酰亞胺薄膜，280℃以下的溫度不是導(dǎo)致絕緣擊穿破壞的決定因素，它只是加速了局部放電和空間電荷對絕緣的破環(huán)作用［6］。

圖6 不同老化時(shí)間在300℃時(shí)的電氣強(qiáng)度

3 結(jié)論

(1)聚酰亞胺薄膜在長時(shí)的高溫老化情況下薄膜結(jié)構(gòu)被破壞(老化后表面有白色顆粒析出)，四種薄膜都有脆硬現(xiàn)象，材料基本都喪失了柔韌性，力學(xué)性能降低。

(2)聚酰亞胺是一種中等極性的聚合物，對溫度和頻率的依賴性很小。四種薄膜在280℃和300℃老化溫度后，在工頻正弦電壓下?lián)舸﹫鰪?qiáng)并沒有明顯下降。因此，對于聚酰亞胺薄膜而言，溫度不是導(dǎo)致絕緣破壞的決定因素，它只是加速了局部放電和空間電荷對絕緣的破壞作用。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明國產(chǎn)薄膜的熱老化性能相對較好，在280℃長時(shí)老化后四種薄膜材料結(jié)構(gòu)遭到破壞，基本上都喪失了力學(xué)特性及柔韌性。在300℃及以上溫度長時(shí)老化后四種薄膜材料已完全遭到破壞。同時(shí)初始性能試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)表明部分國產(chǎn)薄膜材料的力學(xué)特性基本上達(dá)到了進(jìn)口薄膜的性能，可以對國產(chǎn)薄膜開展后續(xù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)。

［1］ 何景彥，吳廣寧，高 波，等．采用介質(zhì)損耗表征聚酰亞胺薄膜老化特性的研究［J］．絕緣材料，2007．

［2］ 李耀星，孫 瑛，祝晚華．我國絕緣材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［C］．第十一屆全國絕緣材料與絕緣技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［A］．2012．

［3］ 何恩廣，于欽學(xué)，占學(xué)斌，等．Kapton CR薄膜老化規(guī)律的研究［C］．第十屆全國工程電介質(zhì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［A］．2005．

［4］ 邱榮昌，曹曉瓏．電氣絕緣測試技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［5］ 電氣電子絕緣技術(shù)手冊編委員會(huì)．電氣電子絕緣技術(shù)手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［6］ 吳廣寧，周 凱，高 波．變頻電機(jī)絕緣老化機(jī)理及表征［M］．北京:科學(xué)出版社，2009．